三維激光掃描技術(shù)點云數(shù)據(jù)采集與配準(zhǔn)研究

張 亞，山 鋒，王 濤

（1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714099；2.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054）

三維激光掃描技術(shù)是近年來測繪領(lǐng)域出現(xiàn)的新技術(shù)，克服了傳統(tǒng)測量技術(shù)單點測量的局限性。該技術(shù)根據(jù)激光測距的基本原理，采用非接觸、主動測量的方式快速獲取被測物體表面高精度的空間點位信息、表面紋理信息的點云數(shù)據(jù)和圖像信息[1-2]，已被廣泛應(yīng)用于建筑物三維建模、文物保護(hù)、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測和土木工程等領(lǐng)域。隨著三維激光掃描儀硬件和軟件的發(fā)展與完善，不同模式下建筑物點云數(shù)據(jù)的采集與配準(zhǔn)已被越來越多的研究者關(guān)注。在建筑物表面點云數(shù)據(jù)的采集過程中，受掃描儀視場的限制，不能一次性掃描完成整棟建筑物表面的點云數(shù)據(jù)，需在不同視場進(jìn)行掃描，以獲取建筑物表面所有點云數(shù)據(jù)。根據(jù)作業(yè)方式的不同，三維激光掃描儀分為3種模式：①基于標(biāo)靶的點云數(shù)據(jù)采集模式；②基于形狀匹配的點云數(shù)據(jù)采集模式；③基于測站后視或后方交會的點云數(shù)據(jù)采集模式[3-5]。前兩種模式獲取的點云數(shù)據(jù)處于掃描儀測站坐標(biāo)系中，第三種模式基于全站儀極坐標(biāo)法的原理，因此獲取的點云數(shù)據(jù)處于統(tǒng)一空間坐標(biāo)系中。

點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，即將不同視點下掃描得到的點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個坐標(biāo)系內(nèi)的過程。通過點云配準(zhǔn)得到整個建筑物表面點云數(shù)據(jù)，進(jìn)而進(jìn)行建筑物三維模型重建[6-7]。由此可見，配準(zhǔn)后點云數(shù)據(jù)的精度將直接決定后續(xù)建模的精度，因此采用何種點云數(shù)據(jù)采集與配準(zhǔn)模式將會對后續(xù)建模產(chǎn)生很大的影響。鑒于此，本文從三維激光掃描技術(shù)的3種數(shù)據(jù)采集模式出發(fā)，對3種模式下的點云數(shù)據(jù)采集與配準(zhǔn)處理進(jìn)行了研究，并對處理后的點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)精度、點位和距離精度進(jìn)行了對比分析。

1 研究方案

1.1 測區(qū)概況

本文選取的建筑物是位于某校園內(nèi)的一棟15層的教學(xué)樓，長為70 m，寬為26 m，高為52 m；教學(xué)樓東北角有一棟兩層的裙樓，長為24 m，寬為21 m，高為10 m。教學(xué)樓整體形狀規(guī)則，棱角分明，易于選取特征點和特征邊，周邊遮擋較少，有利于布設(shè)控制點、架設(shè)儀器和標(biāo)靶。

1.2 儀器選擇

本文采用拓普康GLS2000三維激光掃描儀進(jìn)行點云數(shù)據(jù)采集，最大掃描距離為500 m，具備水平360°和垂直270°的全范圍掃描能力，具有自動量取儀器高、掃描棱鏡技術(shù)和測站后視法掃描功能，包括長距、近景、高清等5種不同測程的掃描模式，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件采用Scan Master軟件。前期控制測量數(shù)據(jù)采用索佳NET05x全站儀進(jìn)行平面數(shù)據(jù)采集，天寶DINI03電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行高程數(shù)據(jù)采集，科傻數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。另外，還配備了棱鏡、標(biāo)靶、鋼尺、記錄板等相關(guān)測量附屬設(shè)備。

2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集包括控制測量數(shù)據(jù)采集和點云數(shù)據(jù)采集兩個階段。

2.1 控制測量數(shù)據(jù)采集

本文要進(jìn)行點位精度對比分析，就需將建筑物點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到統(tǒng)一的空間坐標(biāo)系中，那么建筑物周邊則需布設(shè)更多的控制點。根據(jù)三維激光掃描儀的特性以及建筑物周邊情況，本文共布設(shè)了8個控制點，控制點分布如圖1所示，其中3個控制點架設(shè)三維激光掃描儀，5個控制點架設(shè)標(biāo)靶，利用全站儀進(jìn)行平面數(shù)據(jù)采集，水準(zhǔn)儀進(jìn)行高程數(shù)據(jù)采集。經(jīng)過嚴(yán)密平差，得到8個控制點的三維坐標(biāo)信息，如表1所示。

表1 控制點坐標(biāo)信息

圖1 控制點分布圖

2.2 點云數(shù)據(jù)采集

在每種模式下設(shè)置3個測站進(jìn)行建筑物外業(yè)點云數(shù)據(jù)采集，每個測站每次架設(shè)三維激光掃描儀分別采用3種模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這樣將減少儀器架設(shè)產(chǎn)生的偶然誤差對后續(xù)數(shù)據(jù)處理的影響。

2.2.1 基于標(biāo)靶的點云數(shù)據(jù)采集

基于標(biāo)靶的點云數(shù)據(jù)采集模式需對兩個相鄰測站的同一組3個標(biāo)靶進(jìn)行掃描，再通過這3個共同的標(biāo)靶對兩個相鄰測站進(jìn)行配準(zhǔn)處理[8]。首先將三維激光掃描儀架設(shè)在K1控制點上，分別對測站所控制的區(qū)域以及標(biāo)靶B1、B2、B3進(jìn)行掃描，考慮到標(biāo)靶擬合精度和掃描速度，設(shè)置掃描分辨率為1 cm×1 cm，掃描模式為高清模式（后續(xù)兩種模式的掃描參數(shù)與該模式相同）；再將儀器搬到K2控制點上，分別對測站所控制的區(qū)域以及所有標(biāo)靶進(jìn)行掃描（本測站是第一和第三站的連接站，需將測區(qū)范圍內(nèi)的5個標(biāo)靶全部掃描）；最后將儀器搬到K3控制點上，分別對測站所控制區(qū)域以及標(biāo)靶B3、B4、B5進(jìn)行掃描，以完成建筑物和標(biāo)靶的掃描。在外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中，該模式需對標(biāo)靶進(jìn)行精細(xì)單獨掃描，并對每個標(biāo)靶進(jìn)行編號，這些工作需要耗費一定的時間，因此完成3個測站掃描用時為67 min。

2.2.2 基于形狀匹配的點云數(shù)據(jù)采集

基于形狀匹配的點云數(shù)據(jù)采集模式的基本原理是根據(jù)相鄰兩個測站掃描重疊范圍內(nèi)的同名點進(jìn)行配準(zhǔn)。掃描過程中，分別在K1、K2、K3控制點上架設(shè)儀器，每次設(shè)站與相鄰測站的掃描重疊度在30%以上，以便于后續(xù)配準(zhǔn)時同名點的選取，設(shè)置好掃描參數(shù)后進(jìn)行每個測站的掃描，每個測站分別對標(biāo)靶B1、B3、B5進(jìn)行掃描，以便于后續(xù)把所有點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到統(tǒng)一的空間坐標(biāo)系中。該模式下點云數(shù)據(jù)的采集雖然需要相鄰測站掃描點云數(shù)據(jù)的重疊度在30%以上，但無需掃描太多的標(biāo)靶，與基于標(biāo)靶的模式相比效率高一些，3個測站掃描用時為54 min。

2.2.3 基于測站后視的點云數(shù)據(jù)采集

基于測站后視的點云數(shù)據(jù)采集模式的基本原理是全站儀極坐標(biāo)法測量坐標(biāo)。首先將掃描儀架設(shè)在K1控制點上，棱鏡架設(shè)在K2控制點上，將測站點坐標(biāo)和后視坐標(biāo)分別輸入掃描儀中，設(shè)置掃描參數(shù)，掃描后視棱鏡，以完成掃描儀測站定向；然后掃描該測站的點云數(shù)據(jù)，掃描完成后將掃描儀搬到K2控制點，棱鏡架設(shè)在K1控制點上，根據(jù)同樣的原理進(jìn)行該站的點云數(shù)據(jù)采集；依次掃描3個測站的點云數(shù)據(jù)。該模式下點云數(shù)據(jù)的采集需要掃描后視棱鏡進(jìn)行測站定向，獲取的點云數(shù)據(jù)所在的坐標(biāo)系與控制點所在的空間坐標(biāo)系是一致的，外業(yè)數(shù)據(jù)采集速度介于標(biāo)靶模式和形狀匹配模式之間，3個測站掃描用時為60 min。

3 點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)處理

3.1 基于標(biāo)靶的點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

點云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)處于以掃描儀光電中心為原點的右手坐標(biāo)系中，其中Y軸為掃描儀初始化后照準(zhǔn)的方向，Z軸為掃描儀的豎軸，X軸為與Y、Z軸相互垂直的方向[9]?；跇?biāo)靶的點云數(shù)據(jù)采集模式獲取的點云坐標(biāo)均處于掃描儀架設(shè)時的測站坐標(biāo)系中，即當(dāng)時測站的獨立坐標(biāo)系，若進(jìn)行不同測站的配準(zhǔn)，就要根據(jù)相鄰兩個測站的同名點求解兩個測站相互獨立坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，即平移矩陣和旋轉(zhuǎn)矩陣；再把平移矩陣和旋轉(zhuǎn)矩陣代入到轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型中，即可得到兩個測站統(tǒng)一坐標(biāo)系下的坐標(biāo)[10]。

式中，tx、ty、tz為平移參數(shù)；α、β、γ為X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)角；(X1,Y1,Z1)和(X,Y,Z)為旋轉(zhuǎn)前后同一個點的坐標(biāo)。

由上述公式可見，至少需要3個同名點來求解轉(zhuǎn)換參數(shù)?；跇?biāo)靶的點云數(shù)據(jù)采集模式就是利用相鄰兩個測站3個共同標(biāo)靶來求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，再將轉(zhuǎn)換參數(shù)代入模型即可實現(xiàn)點云的配準(zhǔn)。配準(zhǔn)后3個測站的點云數(shù)據(jù)均統(tǒng)一到測站1所在的坐標(biāo)系中，然后根據(jù)標(biāo)靶B1、B3、B5進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將建筑點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到所建立的統(tǒng)一空間坐標(biāo)系中。

基于標(biāo)靶的點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，相鄰兩個測站的共同標(biāo)靶擬合的精度高，且在掃描過程中已編號，軟件將自動識別同樣編號的標(biāo)靶并進(jìn)行配準(zhǔn)，配準(zhǔn)精度和效率較高，3個測站的配準(zhǔn)用時為7 min。

3.2 基于形狀匹配的點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

基于形狀匹配的點云數(shù)據(jù)采集模式采集的點云數(shù)據(jù)也是處于每個測站的獨立坐標(biāo)系中，其配準(zhǔn)處理過程與基于標(biāo)靶的類似。配準(zhǔn)時選取的不再是標(biāo)靶，而是點云同名點。點云同名點從相鄰測站點云數(shù)據(jù)的重疊部分選取，一般是建筑物的拐角、窗戶等棱角分明的地方。選取同名點后，根據(jù)式（1）、式（2）計算轉(zhuǎn)換參數(shù)，完成點云配準(zhǔn)；再根據(jù)標(biāo)靶B1、B3、B5的坐標(biāo)將配準(zhǔn)后的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的空間坐標(biāo)系中。

基于形狀匹配的點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，需從建筑物表面點云數(shù)據(jù)中選取3個及以上的同名點，選取同名點需要精確到房角或窗角處的點云，但相鄰測站選取的同一位置的同名點也并非嚴(yán)格意義上的同名點，這些情況必然會影響點云配準(zhǔn)的效率和精度，3個測站的配準(zhǔn)用時為13 min。

3.3 基于測站后視的點云配準(zhǔn)處理

基于測站后視的點云數(shù)據(jù)采集時進(jìn)行了后視定向，通過后視定向，每個測站掃描得到的點云坐標(biāo)均為統(tǒng)一空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。這種方式配準(zhǔn)的實質(zhì)就是對每個測站的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的過程，即全站儀極坐標(biāo)法測量點坐標(biāo)的過程。具體每個點云坐標(biāo)的計算公式為：

式中，(X1,Y1)和(X2,Y2)分別為統(tǒng)一空間坐標(biāo)系下K1和K2的坐標(biāo)。

式中，αi為點云中第i個點在統(tǒng)一空間坐標(biāo)系下的坐標(biāo)方位角；βi為第i個點和控制點K1連線與K1和K2連線的夾角，i=1,2,3,…,n，n為K1控制點的點云數(shù)量。

式中，X1、Y1、Z1為控制點K1的三維坐標(biāo)；Si為控制點K1到第i個點的斜距；θi為第i個點的豎直角。

根據(jù)式（5）即可得到第i個點空間坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，再利用軟件對3個測站的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一，即可完成配準(zhǔn)?；跍y站后視的點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)所得到的建筑物點云數(shù)據(jù)模型如圖2所示。在該模式下，掃描儀采用后視棱鏡的測站定向，測站定向后各測站掃描得到的點云數(shù)據(jù)已統(tǒng)一到空間坐標(biāo)系中，因此配準(zhǔn)處理只需把每個測站的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一即可，效率快且精度高，3個測站的配準(zhǔn)用時為4 min。

圖2 基于測站后視的點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)建筑物點云模型

4 配準(zhǔn)精度分析

本文利用三維激光掃描儀、Scan Master軟件實現(xiàn)3種模式下的點云數(shù)據(jù)采集與配準(zhǔn)，結(jié)果表明，基于標(biāo)靶的點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)精度為0.002 m；基于測站后視的點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)精度為0.003 m，基于形狀匹配的點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)精度為0.009 m。

本文將3種模式下的點云數(shù)據(jù)都配準(zhǔn)到統(tǒng)一的空間坐標(biāo)系下，并對配準(zhǔn)后的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行了精度分析。①點位精度分析，選取了6個建筑物棱角、窗角處的點，位置分布均勻，其中1、2號點位于建筑物頂部，將這6個點的坐標(biāo)與通過精密測量得到坐標(biāo)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖3～5所示；②邊長精度分析，選取了建筑物的特征邊進(jìn)行對比分析，特征邊位置分布均勻，1、2號邊位于建筑物頂部，將選取的特征邊邊長與經(jīng)過精密測量的邊長進(jìn)行對比，結(jié)果如圖6所示。

對比3種模式發(fā)現(xiàn)，基于標(biāo)靶的點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)精度與基于測站后視的點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)精度接近且較高，基于形狀匹配的點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)精度較低。數(shù)據(jù)采集過程中采用標(biāo)靶、棱鏡進(jìn)行配準(zhǔn)，標(biāo)靶、棱鏡的坐標(biāo)經(jīng)過嚴(yán)密平差，精度較高，從而使得基于標(biāo)靶的點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)與基于測站后視的點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)精度較高；而基于形狀匹配的點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)過程中選取的同名點為建筑物表面棱角、窗角處的點云，且相鄰兩個測站掃描過程中，由于掃描儀分辨率的原因，使得兩個測站同一棱角處的點云存在偏差，從而導(dǎo)致基于形狀匹配 的點云配準(zhǔn)模式精度較低。

圖3 特征點X方向差值

圖4 特征點Y方向差值

圖5 特征點Z方向差值

圖6 特征邊精度比較

5 結(jié) 語

本文以建筑物為研究對象，系統(tǒng)闡述了不同模式下建筑物表面點云數(shù)據(jù)采集與配準(zhǔn)的處理過程；并將3種模式下的點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到統(tǒng)一的空間坐標(biāo)系中，通過配準(zhǔn)精度、特征點、特征邊的對比進(jìn)行精度分析。結(jié)果表明，基于標(biāo)靶和基于測站后視的模式的精度高于基于形狀匹配的模式；而在數(shù)據(jù)采集、配準(zhǔn)效率和整體精度方面，基于測站后視的模式比另外兩種模式更具優(yōu)勢，更適用于建筑物點云數(shù)據(jù)的采集與配準(zhǔn)處理。