多扫描仪结合在塑石表面积测量中的应用与分析

2021-07-12石明旺罗旭令狐进

城市勘测 2021年3期

石明旺，罗旭，令狐进

(重庆市勘测院，重庆 401121)

1 引言

三维激光扫描技术克服了传统的单点测量的方法，可获取高精度、高分辨率点云数据，具有效率高，操作方便，节省人力，点位和精度分布均匀，人为误差小等特点，适用于测量不规则物体[1]。针对表面积测量计算问题，传统方法为利用全站仪或RTK进行野外数据采集，通过DTM法、方格网法、等高线法、断面法等进行内业计算，此法因采集点密度不够不适用于复杂表面[2]；徐树坤等人通过测量导线点高程和钻孔数据来计算土方量，利用该方法计算表面积的误差随着复杂程度的增加而增大[3]；H.S.M.Coxeter等人将不规则平面图形进行三角划分来计算面积，此法不适于凹凸不平的表面积计算[4]。

重庆地区由于高差大，堡坎多，许多小区及基建设施建有异型塑石假山和不规则岩石边坡，其工程量计算需测绘表面积，若采用传统测量方法，费时费力，精度难以达到要求。本文针对不规则物体表面积测量效率低、精度不足的问题，采用地面三维激光扫描技术，通过实验分析，得出利用点云计算表面积的精度水平，应用于工程实际，高效获取更加精确的塑石假山表面积成果。

2 三维激光扫描技术简介

三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，采用非接触式高速激光测量方式，完整高精度地重建扫描物体，快速获取三维点云数据[5～7]，其工作原理为：通过计算扫描中心至目标点的激光束往返脉冲或相位时间差，推算扫描中心距目标点的斜距，匹配记录下的激光束水平角、垂直角来解算物体表面激光点的三维坐标，同时记录激光点的反射强度值，以实现全自动阵列式高速、实时扫描[8～10]。通过地面三维激光扫描仪采集不规则物体表面点云数据需要合理分配测站位置，设置最佳分辨率，以便覆盖全面、精确拼接，高效完成数据采集工作；将获取的点云数据进行处理，构建精确三维模型，以计算高精度表面积成果。

3 精度实验与分析

由于本文涉及的塑石假山表面积测量项目精度要求远超一般表面积测量精度，所以开展项目前需进行精度实验和分析，验证利用地面三维激光扫描技术测量不规则物体高精度表面积的可行性和适用性。

3.1 实验方案

项目组选用3张A1打印纸编号为1#、2#、3#作为扫描目标，用卷尺测量其尺寸作为真值，然后将3张纸分别曲折不同程度模拟假山表面褶皱情况，利用点云可透过玻璃的原理，将3个目标粘贴于玻璃隔墙上，以规避目标点云裁剪误差，采用3台不同测程与精度的三维激光扫描仪对3个目标进行不同分辨率的扫描，最后对比3个目标不同仪器、不同分辨率下的表面积计算成果，评定精度，确定工程应用最佳外业实施方案。

将1#纸中间凸起只弯折一道折痕作为轻度异型目标，2#纸随意弯折四道不规则折痕作为中度异型目标，3#纸窝成一团折成无数条折痕之后再摊开作为重度异型目标。目标样式如图1所示。分别采用徕卡P50、法如FocusS350、徕卡BLK360三维激光扫描仪设置不同分辨率对3个目标同时进行扫描，然后将获取的点云数据利用Trimble RealWorks软件进行点云拼接、初步去噪和裁剪，再转入Geomagic Studio进行深度去噪，最后进行封装构建三角网模型，计算表面积。通过点云建立的精细三角网模型如图2所示。

图1 1#、2#、3#扫描实验目标(从左向右)

图2 1#、2#、3#扫描实验目标精细三维模型(从左向右)

3.2 实验结果与分析

根据以往经验，考虑数据采集效率，每台三维激光扫描仪选择常用的高、中、低三个档次的分辨率，对3个异形程度不同的目标进行扫描，分别统计其表面积计算结果的真误差及相对误差，以确定何种分辨率能够达到下文工程应用要求的千分之三的精度。3个目标的表面积计算成果如表1所示。

不同程度异形目标表面积实验结果表1

分析表1得知，总体来看对比3台仪器，徕卡P50获取的3个目标点云表面积计算结果精度与稳定性最好，徕卡BLK360得到的结果精度与稳定性最差；从扫描目标异形程度来看，异形程度越严重，表面积计算结果精度越低。①针对轻度异形1#目标，3台仪器的前两档分辨率都能达到3‰以内的精度，徕卡P50和法如FocusS350第一档分辨率都能达到1‰以内，能满足工程精度要求，第三档分辨率都能达到7‰以内，而徕卡BLK360第三档分辨率只能达到3%以内，差一个数量级。②针对中度异形2#目标，徕卡P50和法如FocusS350前两档分辨率都能达到3‰以内，第三档分辨率都在8‰以内，徕卡BLK360只有第一档分辨率能达到3‰，后两档分辨率精度较低。③针对重度异形3#目标，徕卡P50和法如FocusS350前两档分辨率相比2#目标变化不大，较稳定，第三档分辨率降低较多，而徕卡BLK360整体精度降低较多，第一档勉强达到3‰，后两档精度低了一个数量级，第三档精度只有5%。

究其原因，徕卡P50和法如FocusS350相对徕卡BLK360获取点云噪点更少，在计算过程中因剔除噪点使精度损失量受目标异形程度影响较小，也与不同仪器分辨率设置有关。从分辨率来看，徕卡BLK360只有3档可调，且整体分辨率较低，徕卡P50和法如FocusS350分辨率可设置档位较多，对比表中两仪器常用的三档分辨率，两者字面分辨率相差不大，且法如FocusS350可通过增加扫描倍数提高分辨率，理论上应优于徕卡P50，但就实验成果来看，两者扫描轻度与中度异形目标时精度相差不大，但针对重度异形目标时，徕卡P50精度优于法如FocusS350，且前者扫描消耗时间少于后者，可能因为徕卡P50做工质量与仪器调校水平比法如FocusS350更高。

考虑到不同扫描仪的购买成本、操作仪器所需人力成本、时间成本，从表1及表2分析可知，徕卡P50所需购买成本及人力成本最高，法如FocusS350次之，徕卡BLK360最低；单站扫描不同分辨率所需平均时间徕卡P50最短，法如FocusS350此之，徕卡BLK360最长。但实际工作中，徕卡P50操作相对复杂，移动及设站费时，法如FocusS350与徕卡BLK360操作简单，轻便易用，所以应根据实际情况采用不同仪器，设置适当分辨率解决相应问题。

综上所述，采用地面三维激光扫描技术测量异形物体表面积是可行的，精度能够达到工程要求的3‰以内。针对塑石假山表面积测量，为保证精度和效率，应利用徕卡P50和法如FocusS350扫描大部分面积，徕卡BLK360因其便携性及精度和稳定性限制，宜测量小部分面积且狭窄不易设站的位置，亦可用来查缺补漏。

4 工程应用

4.1 项目概况

本项目测量目标为重庆渝北区某塑石假山堡坎，最高处离地 30 m，长度为 304 m，其表面类似褶皱与沟壑的异型变化较多，测区实景如图3所示。因项目整体精度要求较高，达3‰以上，利用常规仪器难以达到项目所需的精度与效率。项目组经过现场踏勘，发现有许多深而窄的内凹转折，需要采用三维激光扫描技术，且扫描非常全面、详细才能达到如此之高的精度，还需结合不同扫描仪，合理匹配分辨率，以达到满足精度要求的高效率作业。

图3 测区实景总览

4.2 仪器参数与人员配备

本次扫描项目调用了一个3人小组，3台扫描仪，一台RTK及其他相关附属设备，历时4天完成外业数据采集。三维激光扫描仪参数如表2所示。

三维激光扫描仪参数表2

4.3 工作流程

项目主要流程包括：数据采集、点云数据处理、建模及面积计算三个阶段。具体工作流程如图4所示。

图4 塑石假山表面积测量工作流程图

(1)数据采集阶段包含现场踏勘、控制测量、激光扫描等。经过踏勘，发现塑石假山对面有两栋7层高的新住宅楼，视野较开阔，使用较大的高精度徕卡P50三维激光扫描仪在房顶上对假山进行总体扫描，同时在房顶布设控制点设站扫描以便后续点云坐标配准；然后使用较小的法如FocusS350三维激光扫描仪对假山进行分段式逐站扫描，再利用便携式BLK360三维激光扫描仪针对凹槽、沟壑、褶皱等变化处进行补漏扫描。获取的点云两站之间尽量保证在20%以上的重叠度，利用已有建筑实现无标靶拼接，重叠度无法达到的位置可增设标靶辅助拼接。

为采集到假山上部人无法达到的较高位置点云数据，项目组将BLK360三维激光扫描仪固定在 6 m长的测杆上，从假山顶部伸出，使其保持平躺或斜向下的角度进行外业扫描，通过实验数据及经验判断，寻找最佳扫描位置与扫描间距，设置3.2中验证可行的分辨率，克服各种死角，顺利完成了外业数据采集工作，如图5所示。

图5 点云数据采集工作照

(2)点云数据处理阶段包含点云拼接、点云坐标配准、点云裁剪、点云去噪、点云分区及抽稀。本次采集的外业数据有143站，数据量达 165 G，由于数据量过大内业计算需分区分块进行，以提高计算效率。利用Trimble RealWorks对点云进行拼接、坐标配准、裁剪、初步去噪及分区，部分测站点云拼接精度及点云预览如图6所示。

图6 部分测站点云拼接精度表(左)及点云预览图(右)

(3)点云建模及面积计算阶段包括点云三维建模、格网优化、表面积计算。首先采用Geomagic Studio对点云进行深度去噪，去噪的要点是确定剔除体外孤点的敏感度，一般根据噪点情况设为50%～85%，可剔除1～2次，减少噪音方式选择为自由曲面迭代2～3次，噪点去除之后将点云封装为三角网模型，再进行格网优化，最后计算表面积，计算结果为 5 270.30 m2。项目组花费一天时间完成了内业计算。部分点云建模展示如图7所示。项目测量成果经建设方采用贴报纸的方式进行取样检验，最终顺利通过验收。