地面三維激光掃描技術(shù)在險(xiǎn)工護(hù)岸監(jiān)測中的應(yīng)用分析

郭志金 劉林佳 吳昊

摘要：三維激光掃描技術(shù)又稱實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是無合作目標(biāo)的自動(dòng)化快速測量系統(tǒng)。在險(xiǎn)工護(hù)岸監(jiān)測中，高密度測量技術(shù)和非接觸測量手段大幅提高了特定區(qū)域測量的成果精度和工作效率[1]。通過實(shí)例對三維激光掃描系統(tǒng)獲取的點(diǎn)云密度和精度進(jìn)行分析，闡述其在險(xiǎn)工護(hù)岸監(jiān)測工作中的可行性;通過配準(zhǔn)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)完成高精度數(shù)字地面模型的建立，可為科學(xué)決策提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描：險(xiǎn)工護(hù)岸;護(hù)岸監(jiān)測;數(shù)字地面模型

中圖法分類號：TV861

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.07.004

1 三維激光掃描儀測量原理

三維激光掃描儀主要由測距系統(tǒng)、測角系統(tǒng)以及其他輔助功能系統(tǒng)構(gòu)成，通過激光掃測快速、準(zhǔn)確獲取物體三維坐標(biāo)、反射強(qiáng)度（Intensity）及紋理信息等。

測量原理是掃描得到測站點(diǎn)到待測物體表面任一目標(biāo)點(diǎn)的距離S，并獲得測量瞬間激光脈沖的橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值θ，進(jìn)而得到激光角點(diǎn)在物體表面的基于三維激光掃描儀的內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)三維坐標(biāo)值。具體見圖1，獲取的坐標(biāo)計(jì)算公式見式（1）。

x=Scos θcosa

y=Scosθsina

（1）

z=Ssinθ

以上解算的是內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，還需將其轉(zhuǎn)換到測站坐標(biāo)系。三維激光掃描儀提供了設(shè)置測站工作流和自由設(shè)站工作流兩種解決方案。設(shè)站模式下掃描坐標(biāo)即為測站坐標(biāo)系下的坐標(biāo);自由設(shè)站模式需通過配準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)掃描坐標(biāo)向測站坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換[1-2]，一般采用布爾莎七參數(shù)法。

2 測量誤差分析及質(zhì)量控制

三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云誤差包括數(shù)據(jù)采集階段的誤差及數(shù)據(jù)處理階段的誤差。數(shù)據(jù)采集階段的誤差組成包括儀器誤差、目標(biāo)反射面有關(guān)的誤差以及外界環(huán)境誤差;數(shù)據(jù)處理階段誤差主要是配準(zhǔn)誤差[3]。

2.1 儀器誤差

圓形發(fā)射的激光束到達(dá)物體表面形成的光斑大小隨掃描距離的增加而線性增大。定位的不確定性是指激光回射信號不一定位于光斑中心，其極限誤差即為光斑半徑r。

2.2 目標(biāo)表面因素

激光測距依賴于來自被測目標(biāo)反射的激光，反射信號的強(qiáng)度一般均受目標(biāo)反射特性的影響，且直接影響測量精度。物體反射特性的差異會導(dǎo)致一定的系統(tǒng)性偏差。物體反射特性受材質(zhì)、表面傾斜度和粗糙度、色彩等影響。如果表面過于光滑和明亮?xí)a(chǎn)生鏡面反射，反射信號過強(qiáng)而造成較大的測量誤差。

（1）反射面傾斜對點(diǎn)云密度的影響。點(diǎn)云密度可視需求選擇掃描儀不同的工作模式，差別在于激光束間夾角的大小。此外，點(diǎn)云獲取的密度還與激光束入射角和距離有關(guān)系，反射面對點(diǎn)云密度的影響見圖2。

理論密度計(jì)算公式如下

d=S sina/sinβ

（2）式中，α為激光束間的夾角，β為激光束的入射角，S為目標(biāo)距離。

（2）反射面傾斜對測量精度的影響。反射面傾斜對測量精度的影響主要表現(xiàn)在激光束打到傾斜面上光斑會擴(kuò)散成橢圓，此時(shí)因光斑大小導(dǎo)致的極限誤差即為橢圓的長半軸半徑，其大小為r/cosβ。

2.3 點(diǎn)云配準(zhǔn)因素分析

設(shè)置測站工作流直接獲取測站坐標(biāo)系統(tǒng)下的點(diǎn)云成果，無需配準(zhǔn)。自由設(shè)站工作流的配準(zhǔn)方法有自動(dòng)配準(zhǔn)和手動(dòng)配準(zhǔn)，下面以險(xiǎn)工護(hù)岸監(jiān)測汛后測次yx3→yx2→yxl測段3站的數(shù)據(jù)進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)比較。

自動(dòng)配準(zhǔn)是以公共面進(jìn)行匹配，系統(tǒng)自動(dòng)提取特征點(diǎn)對計(jì)算;自動(dòng)配準(zhǔn)需選擇參考站和自由站，只能以某站為參考逐站配準(zhǔn)，導(dǎo)致累積誤差越來越大。當(dāng)自動(dòng)配準(zhǔn)不通過時(shí)，必須采用手動(dòng)配準(zhǔn)再次進(jìn)行配準(zhǔn)。自動(dòng)配準(zhǔn)精度統(tǒng)計(jì)見表1。

由表1可見，逐站配準(zhǔn)后，鄰站較差無明顯差異。但逐站配準(zhǔn)因?yàn)槿鄙偌s束條件，精度逐步降低，誤差累積效應(yīng)明顯。

手動(dòng)配準(zhǔn)是手工提取特征點(diǎn)對進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)特征點(diǎn)為已知點(diǎn)時(shí)，即實(shí)現(xiàn)各自由站坐標(biāo)系統(tǒng)的獨(dú)立轉(zhuǎn)換，避免了誤差累積。手動(dòng)配準(zhǔn)精度統(tǒng)計(jì)見表2。

由表2可見，各測站手動(dòng)配準(zhǔn)后精度分布更均勻，較自動(dòng)配準(zhǔn)整體精度更高。這是因?yàn)樽詣?dòng)配準(zhǔn)是基于面提取特征點(diǎn)對，而險(xiǎn)工護(hù)岸監(jiān)測區(qū)域有別于工業(yè)廠房等測區(qū)，鮮有大面積規(guī)則立面，且試驗(yàn)未對房屋等進(jìn)行多測站、多角度掃描。

3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析

3.1 點(diǎn)云密度檢查

受險(xiǎn)工護(hù)岸測區(qū)自然條件限制，激光入射角普遍較小，點(diǎn)云密度不均衡。掃描儀與原地面高差在1～8m;測區(qū)50 m范圍外，隨著距離的增加，地形起伏引起的入射角變化范圍逐步減小。同時(shí)隨著距離的增加，植被對掃測空白區(qū)的影響逐步增大。采用標(biāo)準(zhǔn)模式（對應(yīng)波束間夾角103”）掃測時(shí)，對應(yīng)點(diǎn)云密度見表3。

由表3可見，作業(yè)中需嚴(yán)格控制掃測距離，外業(yè)中應(yīng)仔細(xì)檢查各測站邊緣區(qū)域覆蓋情況。

3.2 特征點(diǎn)精度檢查

統(tǒng)計(jì)險(xiǎn)工護(hù)岸試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)所有特征點(diǎn)和靶標(biāo)點(diǎn)的三維激光掃描儀采集坐標(biāo)與傳統(tǒng)測量方式采集坐標(biāo)的差值[4]，計(jì)算平面位置中誤差和高程中誤差。共選取了63個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了平面和高程較差統(tǒng)計(jì)（見表4-5）。

計(jì)算得到平面位置中誤差為0.042 m，高程中誤差為0.045 m。依據(jù)SL257-2017《水道觀測規(guī)范》[5]對專用地形圖的精度要求，平面位置允許中誤差為圖上0.5 mm，高程允許中誤差為0.15 m，險(xiǎn)工護(hù)岸監(jiān)測測圖比例尺一般不大于1：500，則平面位置允許中誤差不小于0.25 m。由此可見，掃測精度滿足測圖需求。

3.3 點(diǎn)云整體精度檢查

根據(jù)常規(guī)測量手段形成的地形圖構(gòu)建DEM，與激光掃描儀獲取的點(diǎn)云構(gòu)建的DEM求差，即可得點(diǎn)云整體精度。

圖3中灰色區(qū)域即為密集高植被區(qū)域，掃測數(shù)據(jù)集中在高植被表面，DEM求差值（見圖4）即為植被高，故該區(qū)域掃測數(shù)據(jù)不可用，本試驗(yàn)采用RTK補(bǔ)測原地面。

4 結(jié)論與建議

三維激光掃描儀在險(xiǎn)工護(hù)岸監(jiān)測中應(yīng)用研究的試驗(yàn)結(jié)果滿足相關(guān)規(guī)范的精度要求，但為了保證該測量技術(shù)施測結(jié)果的高精度，進(jìn)行影像掃測系統(tǒng)施測陸上地形時(shí)應(yīng)選擇植被覆蓋稀少區(qū)域[6]。

通過以上論述和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可得出如下結(jié)論。

（1）在山坡陡崖、崩岸險(xiǎn)情等監(jiān)測方面，良好的觀測條件加上無接觸式測量使得影像掃測系統(tǒng)具有較大優(yōu)勢。

（2）影像掃測系統(tǒng)的觀測精度較高，滿足大比例尺測圖的要求，但植被區(qū)域因無法獲取原地面，精度較低。

（3）受地形條件限制，不可避免地出現(xiàn)掃描死角，同時(shí)點(diǎn)云密度分布不均。

對后續(xù)三維激光掃描儀的應(yīng)用提出如下建議。

（1）測量區(qū)域應(yīng)選擇植被覆蓋稀疏的區(qū)域進(jìn)行。

（2）在點(diǎn)云編輯方面，重點(diǎn)考慮點(diǎn)云分類提取能力和手工編輯能力。宜選取或開發(fā)一個(gè)點(diǎn)云子區(qū)編輯模塊，提高編輯精準(zhǔn)度，同時(shí)在此模塊中實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)云高程編輯功能，這樣就能較為精準(zhǔn)地解決密集低矮植被區(qū)域點(diǎn)云向原地面的調(diào)整。

（3）應(yīng)充分考慮后處理軟件在制圖方面的便利性和高效性。

參考文獻(xiàn)：

[1]梅文勝，周艷芳，周俊.基于地面三維激光掃描的精細(xì)地形測繪[J].測繪通報(bào)，2010（1）：53-56.

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[5]SL 257-2017永道觀測規(guī)范[S].

[6]李志鵬，張辛，喻守剛，等，基于三維激光掃描的大比例尺地形測繪方法研究[J".人民長江，2014，45（7）：70-73.