三维激光扫描在地下空间测量中的应用研究

贺磊，孙灏

(南京市测绘勘察研究院股份有限公司，江苏 南京 210019)

1 引 言

三维激光扫描技术是近年来在测绘领域兴起的一项高新测量技术，其突破了传统的单点测量模式，快速采集到面状点云数据，可以精确地获取被测对象的三维坐标信息、反射信息和色彩信息等，再通过密集的三维点云数据就可快速构建出场景的三维模型，在工程测量、三维建模等领域都得到了广泛的应用[1，2]。随着社会经济水平的持续发展和城市化水平的提高，城市地下空间的开发利用也得到了极大的发展，尤其是在城市轨道交通领域，然而地下空间由于结构复杂、通视条件差、细部特征多等局限性，这些都加大了数据采集的困难程度[3，4]。传统的测量方式是利用全站仪布设导线采集各特征点、线，再利用数码相机对所有细部特征拍照用于纹理贴图，测量效率低且建模工作量大[5～7]。为此一些学者基于三维激光扫描的技术优势将其应用于地下空间三维建模中，储立新[8]等分别将传统测量方法和三维激光扫描技术应用于地下空间测量中，表明了三维激光扫描在地下空间测量中效率更高、精度可靠，苗亚哲[9]等基于三维激光扫描技术完成了地下人防工程的模型重建，研究表明了基于三维激光点云的BIM模型具有建模精度高、现场还原度好的优势，王凯时[10]等将三维激光扫描应用于地下空间的三维建模中，研究表明了三维激光扫描在地下空间测量中具有无可比拟的优势，其数据成果为地下空间的信息化管理提供了可靠依据。

本文以南京地铁某地下车站为研究对象，利用三维激光扫描对地铁车站内部进行完整的扫描，重建出地下空间的三维点云模型，分别介绍了数据的采集及点云的处理方法，并将传统的点云标靶拼接和ICP算法进行了优势互补，研究了一种提高点云拼接精度的方法，并对三维点云模型进行了精度评定，研究表明了该方法在地下空间三维扫描测量中的适用性。

2 数据采集

地下空间的传统测量方法是首先在地面进行控制测量，再进行地面和地下的联系测量，将坐标引入地下空间，然后在地下进行导线测量，在导线点的基础上，利用全站仪采集碎步数据，获取地下空间特征点的三维坐标信息，再进行属性调查和纹理图像采集，而地下空间往往存在结构复杂、细部特征多等特点，采用传统的测量方式效率低、困难大。

三维激光扫描能够大面积、高效率地获取到被测对象的三维坐标数据，可以快速采集到大量的三维空间信息，其采集效率远高于全站仪。基于三维激光扫描进行地下空间的测量，首先要进行控制测量，在地面出入口处布设控制点，基于地面控制点进行地下导线网的布设和测量，然后再进行扫描作业，扫描时要保证相邻两站点云之间有一定的重叠度，并且在各导线点上架设标靶进行扫描，同时要进行纹理影像的采集，用于后期三维点云模型的纹理映射。三维激光扫描在地下空间测量中的数据采集流程图如图1所示：

图1 三维激光扫描技术流程图

3 点云处理

在实际中要构建一个实体场景的完整点云模型，通常要从多个不同的视角对其扫描，且扫描时各站之间还需保证一定的重叠度。而三维激光扫描仪采集到的点云数据是以扫描坐标系为基准的，每站点云都是在其不同的独立扫描坐标系下，因此要获取完整场景的三维点云模型，需要对不同站点云数据进行配准。点云配准是通过一定的约束条件将多视点扫描点云数据配准到统一坐标系中，配准之后将得到一个完整场景的点云模型。

点云数据的配准实际就是两个三维空间坐标系间的转换，其中一个为基准坐标系，另一个为目标坐标系，两个坐标系之间通过平移、旋转等操作转换到统一坐标系下，假设点P在两个坐标系中的坐标分别为pi=(xi，yi，zi)和pj=(xj，yj，zj)，其坐标转换模型可以表示为：

(1)

式(1)中，(φ，ω，k)为3个旋转参数，(△x，△y，△z)为3个平移参数，λ为尺度变换参数，由式(1)可知，求解出7个参数至少需要3个同名点坐标。

根据采用的配准基元不同，实际中点云配准方法主要有两种：基于特征的配准和基于ICP算法的配准。基于特征的点云配准方法是在外业扫描过程中设置公共的标靶点或控制点，然后在点云配准时利用公共点求解出坐标系间转换模型实现点云的配准。基于特征的点云配准具有精度高、配准速度快等优点，若在大型场景中，随着扫描站数的增加，需布设的标靶点数量也在同步增加，这样就大大降低了数据采集效率。基于ICP算法的点云配准主要过程可以表示为：假设有两个待拼接的点云数据集，首先通过不断地平移和旋转操作，确定两组点云间的初始相对位置，然后算法搜索重叠区域的同名点对，解算出点云间有效的坐标转换模型，利用此转换模型对点云数据集间相互位置关系进行优化，再寻找更优同名点对，算法以此不断地迭代运算，逐步对坐标转换模型进行改善优化，最终得到合理的转换参数模型。ICP算法具有自动化程度高、精度可靠等优点，但是在实际应用时存在拼接速度慢、稳定性较差等缺点。

城市地下空间结构复杂，内部结构通常极不规整，各类管道、设施等错综不一，细部特征多，且可供测量的时间非常有限，因此地下空间在测量时要求测量方式快捷高效且精度可靠。利用三维激光扫描技术进行地下空间测量，扫描站通常非常多，根据地下空间测量的作业要求和扫描仪的作业效率，若是采用标靶进行传递和配准，相邻站点云配准需要三个以上的同名标靶点，在数据采集时需布设大量的标靶，标靶的布设和扫描需耗费大量的时间，而标靶中心点在拟合时对标靶上点云密度的要求较高，为保证标靶中心的拟合精度，数据采集时需减小相邻扫描站的间距，这会造成扫描站数的冗余，因此地下空间在测量时全部采用标靶进行传递和配准，数据采集的效率不高。而利用ICP算法进行点云配准时，点云之间同名点的搜索很大程度上依赖于算法的阈值设置，根据误差传播规律，大量扫描站点云的连续配准必然会引起误差的不断传递，造成点云模型中误差的不断累积，可能会造成配准后点云模型的扭曲变形，因此点云全部利用ICP算法进行配准虽然在一定程度上提高了数据的采集效率，但是点云的配准误差难以控制。

针对这种情况，本文将基于特征的点云配准和ICP算法配准进行优势互补，研究一种提高数据采集效率和提高配准精度的方法，具体配准思路为：首先利用ICP算法对相邻站的点云进行初始配准，当配准误差大于 3 cm时，对点云进行分组，不同组点云之间再利用同名特征点和标靶点进行精细配准，最后利用控制点坐标完成点云模型的坐标纠正，点云配准技术流程图如图2所示。

图2 点云配准技术流程图

基于以上配准思路，就可完成点云模型的最终配准，这不仅可以避免在外业数据采集时大量布设标靶点的情况，提高了数据采集效率，而且在利用ICP算法进行点云配准时可以控制配准误差不断累积的情况，提高了三维点云模型的精度。

4 案例分析

南京地铁某车站为地下二层结构，地下一层为站厅，地下二层为站台，车站长约 198.70 m、宽约 21.20 m，总建筑面积约 11 602 m2，地铁站内部细节特征极多，采用传统测量方法进行数据采集难度极大。本案例采用三维激光扫描技术对其进行测量，首先在地面出入口处布设控制点，利用地面控制点向地下布设导线，控制测量完成后再进行点云采集，点云采集的设备型号为徕卡BLK360扫描仪，仪器测程为 60 m，作业时间选择的是夜间地铁停运时，此时地铁站内部人流量小，对扫描点云的影响较小。扫描时相邻站之间最大距离不超过 20 m，并在各导线点上架设标靶进行扫描，点云扫描共81站，在点云拼接时利用了上文介绍的方法进行处理，首先利用ICP算法对点云进行初始配准，当配准误差大于 3 cm时，即对点云进行分组，点云组之间再利用标靶点或同名特征点进行拼接，最后再利用控制点坐标对点云模型进行坐标纠正，最终构建出地下空间内部完整的三维点云模型。本案例在点云配准时利用了13个已知点坐标进行处理，将点云中标靶坐标与原始三维坐标对比进行精度分析，点云配准精度统计如表1所示：

配准点坐标精度对比表 表1

对表1中配准点误差进行数学平均值统计，计算出点云配准误差为 2.7 cm，结合点云扫描和各站配准过程进行分析，部分配准点差值较大是由于扫描过程中行人走动对标靶扫描造成干扰，导致最终配准点误差过大，而其他站点云配准精度均在 2 cm以内，因此可以认为本案例中点云配准精度可靠性较高。

为了评价最终三维点云模型的整体精度，还需对其外符合精度进行评价分析，而三维点云模型中点是最基础的单元，点的精度直接反映了点云模型的整精度，尤其是特征点精度，因此可以利用点位精度进行分析来评价三维点云模型的整体精度。本案例在控制测量的同时，对地铁站内部分特征点进行了采集，在精度评价时，将全站仪实测坐标与点云模型中对应点的坐标进行对比，以此评价三维点云模型的整体精度。本文随机选取了20个点位坐标进行分析，选取的点基本覆盖整个测区，其精度分析如表2所示：

特征点精度统计表 表2

续表2

对表2数据进行分析可知，全站仪实测坐标与点云同名特征点间最大误差不超过 10 cm，对其进行中误差统计，计算出特征点中误差为 4.2 cm，基于本文方法制作的点云模型精度在 5 cm以内。

由上可知，将三维激光扫描技术应用于地下空间测量项目中，其点云配准精度和整体模型精度可靠性较高，同时三维点云模型解决了地下空间细部特征多、测量困难等问题，基于三维点云模型也可直接进行模型重建，三维激光扫描技术为地下空间测量提供了一种新的解决方案。

5 结 语

随着城市建设的发展，城市地下空间的开发得到了极大的发展，然而地下空间结构复杂、三维信息获取困难等问题，都对传统的测量技术提出了新的考验。三维激光扫描技术作为近年来兴起的新型测绘技术，其突破了传统单点测量的局限性，可一次性采集到海量点云数据，并可快速构建出场景的三维点云模型。本文将三维激光扫描技术应用到地下空间的三维建模中，介绍了数据采集的技术流程，并研究了一种多视点云配准的新思路，提高了点云的采集效率和点云配准精度。基于此方案实现了城市轨道交通地下空间的模型构建，并对点云模型进行了精度评定，研究表明了三维激光扫描技术在地下空间测量中的适用性，为地下空间的高效管理和规划提供了一种新的解决方案。然而，基于三维激光制作的点云模型只是一个初步模型，对点云数据进行高效分类、自动化处理等将是下一步研究的重点。