■周建濤（長安大學(xué)地測學(xué)院陜西西安710064）

Riegl三維激光掃描系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動拼接的研究

■周建濤
（長安大學(xué)地測學(xué)院陜西西安710064）

地面三維激光掃描系統(tǒng)有著非接觸、快速、精確、詳細(xì)等特點，但現(xiàn)有手動尋找公共標(biāo)靶的拼接方法費時費力。本文介紹了三維激光掃描系統(tǒng)的基本工作原理、坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換和拼接方法分類，另外通過實例介紹了RiSCAN PRO軟件自動拼接方法的優(yōu)越性。

地面三維激光掃描系統(tǒng)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換自動拼接

1　引言

地面三維激光掃描系統(tǒng)作為一門新興的測繪技術(shù)，集合多種高新測繪技術(shù)于一體。它屬于主動型非接觸式測量系統(tǒng)，所獲取點云數(shù)據(jù)具有精度高、速度快、密度大、無接觸等特點，且包含真彩色信息和紋理信息，使目標(biāo)表面信息表達(dá)更加的逼真，因此又被稱為“實景復(fù)制技術(shù)”。三維激光掃描系統(tǒng)已經(jīng)在文物保護(hù)與修復(fù)、變形監(jiān)測、數(shù)字城市、礦山測量等眾多領(lǐng)域里有著非常廣泛的應(yīng)用。

拼接是點云數(shù)據(jù)處理過程中的重要環(huán)節(jié)，而且影響后面數(shù)據(jù)建模的精度?，F(xiàn)有拼接方法多以手動尋找同名標(biāo)靶，拼接效率低下。本文通過對某廣場實地掃描，在介紹三維激光掃描系統(tǒng)的基本工作原理的基礎(chǔ)上，重點介紹了RIEGL VZ-1000三維激光掃描系統(tǒng)的軟件自動拼接方式。

2　工作原理

目前，地面三維激光掃描系統(tǒng)以采用脈沖激光測距為主要工作方式，以無接觸式高速激光測量獲取目標(biāo)物體表面陣列式幾何圖形的三維點云數(shù)據(jù)。通常來講，地面三維激光掃描系統(tǒng)由掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、后處理軟件以及附屬設(shè)備構(gòu)成。通過儀器內(nèi)部精密時鐘測得發(fā)射和接收激光脈沖信號的時間差來間接獲得被測目標(biāo)到儀器中心的距離S。掃描裝置同步測得掃描線的水平方向角度α和垂直方向角度θ。測站坐標(biāo)系（SOCS)采用的是局部右手坐標(biāo)系，以儀器中心為坐標(biāo)原點，X、Y軸在同一水平面，Y軸一般是掃描儀的掃描方向，Z軸垂直于水平面。

3　數(shù)據(jù)采集

首先確定掃描的目標(biāo)區(qū)域以及其周圍環(huán)境，再考慮目標(biāo)物被遮擋情況，然后針對掃描目標(biāo)的大小、位置及所需獲取的重點屬性確定測站數(shù)和位置。本次實驗共布置了四個掃描站點，以完整的表現(xiàn)廣場上的石柱的外觀。

圖1　各坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系

4　點云數(shù)據(jù)拼接

在數(shù)據(jù)采集過程中，我們在保證所獲取掃描目標(biāo)的點云數(shù)據(jù)完整性的情況下盡可能的布置最少的測站數(shù)。所掃描的點云數(shù)據(jù)都處在以當(dāng)前測站坐標(biāo)系（SOCS)中。點云數(shù)據(jù)拼接就是將每站掃描獲得的點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一工程坐標(biāo)系（PRCS)中。一般情況，當(dāng)掃描對象區(qū)域長度大于10km時需要建立全局坐標(biāo)系（GLCS)。如圖1，該掃描項目有共N個測站,點云數(shù)據(jù)拼接就是將這個N個不同測站坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到建立的工程坐標(biāo)系中。

RiSCAN PRO是RIEGL三維激光掃描儀附帶的軟件。操作者可以完成大量的工作，包括儀器配置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存檔。每一站的SOP信息（測站的方向和位置）存儲于一個4×4矩陣Msop中，矩陣包含9個旋轉(zhuǎn)參數(shù)和3個平移參數(shù)。

拼接的形式分為兩類：①相對方式，以某一測站坐標(biāo)系為起始基準(zhǔn)，相鄰測站的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)到該站坐標(biāo)系下并以此坐標(biāo)系作為新的基準(zhǔn)，以此類推，不斷尋找公共部分。②絕對方式，以全站儀、GPS RTK等常規(guī)手段獲得標(biāo)靶的絕對坐標(biāo)，拼接時各測站掃描數(shù)據(jù)直接統(tǒng)一到絕對坐標(biāo)中。本實驗數(shù)據(jù)采集時未設(shè)置標(biāo)靶片，分別采用手動拼接和自動拼接的相對方式進(jìn)行點云數(shù)據(jù)拼接：

（1）手動拼接；在RiSCAN PRO中手動尋找點云數(shù)據(jù)中不同測站的3個公共特征點，并標(biāo)記為同名標(biāo)靶以最小二乘法計算SOP值。結(jié)果石柱出現(xiàn)“分層”現(xiàn)象。

（2）自動拼接；RIEGL VZ-1000三維激光掃描系統(tǒng)中自帶磁羅盤和GPS模塊，每一測站采集的點云數(shù)據(jù)偏離距離較小，圖2表示兩測站掃描的同一根柱子。首先是創(chuàng)建新的特征數(shù)據(jù)，本次實驗使用的提取平面法線的方法。固定第一站坐標(biāo)系，計算第二測站的SOP值，將拼接結(jié)果作為基準(zhǔn)進(jìn)行下一測站并以此類推。拼接結(jié)果如圖3所示，計算拼接誤差是0.0036m。

圖2　拼接前點云

圖3　拼接后點云

5　總結(jié)

本文通過RiSCAN PRO軟件自動拼接方法對廣場石柱掃描，數(shù)據(jù)處理簡單且拼接精度滿足要求。因為在數(shù)據(jù)采集中不需要布置標(biāo)靶，外業(yè)采集時間得到大大縮短。實驗結(jié)果表明手動拼接人機(jī)交互依賴性強(qiáng)且拼接精度差，只能作為粗拼接使用。研究提高點云數(shù)據(jù)拼接精度的方法，簡化數(shù)據(jù)后處理過程，三維激光掃描系統(tǒng)才具有更大的應(yīng)用潛力。

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O348.11[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-1-207-1

周建濤，男，碩士研究生。