地下空间激光扫描点云精度对比分析
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摘要：利用4种激光扫描设备对地下空间扫描，针对获得的点云数据，用全站仪测量研究区内特征点三维坐标，统一点云空间参考，并从点云数据中获取特征点坐标，与测量的三维坐标对比分析。 结果显示：推扫式激光扫描设备比架站式精度略低，最弱方向中误差为0.128 m，而架站式为0.039m，用推扫式激光扫描设备对地下空间进行测量，能满足1∶500数字线划图的测量精度要求。
关键词：地下空间；激光扫描；点云；精度对比
随着人类工业化进程的不断加快、城市化水平的提高、城市人口的迅速增长，现代大城市，特别是城市中心区域都不可避免地出现了城市化进程快速推进与有限土地资源之间的矛盾。地面土地资源并不能最大限度地满足城市发展的需求[1]，地下空间的开发利用已成为人类生活空间的新拓展，地下空间开发利用和管理越来越重要[2]。 为了配合地下空间的开发和利用，许多城市已经开展了地下空间的普查、测绘和建立地理信息数据库的工作[3]。例如，上海已经查明，截至2011年底，全市具有一定规模的地下工程共3. 1万多个， 总建筑面积约5699万m2[4]； 南京市由人防、规划、测绘等多部门参与，于2015 年开始指定地下空间数据标准和开展试验工作；常州市武进城区地下空间数据测绘项目主要采用全野外数字化法进行成图，主要包括地下建(构) 筑物的测绘定位、属性调查，以及地下建(构)筑物的数字化与数据入库等工作[2]。
开展地下空间普查等工作，通常采用3 种测量技术[5]:
①全站仪测量技术：控制测量、联系测量及碎部测量；
②激光测量技术，主要对地下空间扫描；
③竣工图纸技术，是成本最低的方法。
胡俊等对地下空间地籍调查方法进行了探讨[6]；刘海飞等探讨了地下空间中测绘技术[7]；而陈勇等研究了三维激光扫描技术在地下空间设施普查测量中的应用[8]。相比较而言，激光测量技术最为先进，但也最不成熟， 李永强等研发了地下空间移动激光测量系统[9]，马志等研究了地下空间扫描多站拼接及标定技术[10]，以及储备激光扫描在地下空间的应用技术，特别是移动式扫描(SLAM)设备的推出，比传统架站式扫描更快，精度状况却说法不一。 本文针对这一问题，对新兴的激光扫描技术手段进行测试，比较分析获得数据采用的方法、设备等有关精度的技术指标在南京市地下空间普查活动中的适宜性。
王玉鹏等用室内标定场对地面三维激光扫描点位精度进行了评定， 认为在实际测量环境下ScanStation2 型扫描仪的点位精度在距离为40m 时为±4.7mm，符合厂家给出的±6 mm/50m的精度指标;在距离为80m时为±6.3mm，这也符合大部分建筑物建模的精度要求[11]。 齐建伟等研究了三维激光扫描测量系统对标靶的重复扫描测量精度，认为其内符合精度优于1mm[12]。 王俊杰通过试验证明，Trimble GX三维激光扫描仪在200m的距离点位最大误差可以达到17.9mm[13]。丁建勋等用FaroFocus3D 扫描仪精细化扫描了墙面的靶标，靶标的扫描坐标成果与全站仪实测坐标相比，最大相差2.6mm，最小相差0.3mm[14]。 综合以上研究，不同设备采用不同的方法，获得的结论不同， 因此，在地下空间测绘中大面积采用激光扫描的方法之前，有必要对不同激光扫描方式获得的激光点数据精度作进一步分析，对使用激光扫描方式进行地下空间信息采集具有指导意义。
本次研究区为南京市测勘院地下部分停车场的三维空间，占地面积约为1417m2，最长边约69m，最大净高4m多，呈多边形立体分布。地下停车场包括出入口、场内设备设施、标线等。平面顶视图如图1(a)所示。 其中，边线为地下停车场范围线，左下部分与其他部分相连，左上侧为出入口，黑色圆点为测量的控制点位和特征点。
图1
2.数据采集2.1控制测量
控制测量按如下原则：通过联系测量传递到地下的坐标、方位、高程作为地下控制测量的起算数据。 当地下控制测量的精度要求高于地面控制测量时，可只使用一个传递点的坐标、一个定向边方位值和一个点的高程值，其他传递的数据不参与平差计算。地下平面控制测量宜采用全站仪导线测量方法进行。导线测量精度等级分为四等、一级、二级、三级和图根级。 四等、一级、二级、三级导线测量的主要技术及观测要求应符合相关规定，图根级导线测量的技术要求应符合参考文献[15]的规定。
本研究采用闭合导线加支导线的方式进行图根控制点的测量，在测区布设了3个闭合导线点和1个支导线点。
每个测量控制点精度要求为：
①平面位置中误差不得大于3cm；
②高程中误差不得大于5cm；
③净空高测量中误差不得大于3cm。
地面上平面控制点相对于起算点的点位中误差不应大于2cm，地面高程控制点相对于起算点的高程中误差不应大于2cm。
2.1.2.1 特征点
在停车场出入口、墙面上、地面上、场内顶面上布设特征点，要求布设标靶或采集明显特征点，并测量其坐标。如图2所示。
图2 特征点测量
2.1.2.2 特征线
在停车场出入坡道上、墙面上、地面上、场内顶面上布特征线，可以使用已经布设的特征点的连线，要求两点构成直线，或者采用已有的明显标志，并且测量各节点坐标。
2.2布设标志
在扫描仪作业之前，在车库里面墙上布设用A4纸打印的黑白标靶，样式如图2(b)所示。 标靶高度距地面约1.800m， 标志主要分布在车库四周的墙上和中间的支柱上，呈均匀分布，其中一部分用来作为控制点进行坐标转换，另一部分作为检查点测量成果精度。
布标的另一个作用是连接测站之间的激光点，若架设测站位置不适合用平面标靶，在数据采集时使用临时可移动的三维标靶，连接测站之间的激光点。
2.3激光扫描
对停车场整个空间进行扫描和拍照，包括与地上的连接部分。根据控制测量成果，获取实地空间位置的三维点云和影像。由于地下空间比较暗，照片基本不能直接使用。本次研究采用的扫描设备有4 种：徕卡架站式P20、徕卡背包、Z + F 架站式5010C、华泰天宇的iMS3DⅠ代推车。其中，P20 架设6 站，共获得47 058 413 个激光点；Z+F 5010C 架设13 站，共获得117 305 250 个激光点；徕卡背包使用了惯导设备，共获得11 265 550 个激光点；iMS3D只扫描了车库平的部分，获得32 031 289 个激光点，获得的点云分布如图3 所示。为了显示清楚，点云经过了抽稀，由于Ⅰ代设备不带惯导，在入口处没有采集数据。
图3 扫描点云
3.成果精度对比
3.1坐标系统转换
架站式激光扫描仪和不带惯导的激光扫描推车，采集的成果为任意坐标系下坐标；而徕卡背包设备在地下空间扫描之前需要接收卫星信号，获得的是WGS-84 坐标，在成果比较之前，需要转换到统一的坐标系中。 本次研究利用同一坐标成果的同一组控制点转换坐标系统，最终的坐标系统采用南京92地方坐标系、吴淞高程。激光点云成果利用这些控制点，采用四参数，转换平面坐标，再利用控制点拟合高程值到吴淞高程。具体采用的方法为：
①对于架站式激光扫描仪，首先利用硬件自带的软件，拼接所有站点云数据为一整体，再根据控制点，用数学方程转换平面坐标，最后根据明显高程点转换高程基准到吴淞高程。
②对于推车式激光扫描仪，首先利用硬件自带的软件，解算激光点云数据的坐标；再根据控制点，用数学方程转换平面坐标；最后根据明显高程点转换高程基准到吴淞高程。
③对于有POS 系统的扫描设备，首先利用硬件自带的软件，解算扫描轨迹线和点云数据WGS-84 下的坐标；利用WGS-84与南京92 坐标系的转换关系，使用专用程序直接把WGS-84 下的坐标转换成为南京92 坐标和吴淞高程。
3.2成果精度对比分析
3.2.1获得点云特征点
在TerraSolid 软件的前视图中，用强度信息渲染获得的激光点数据，可以获得标靶的图像， 若没有提供强度信息，则用RGB 颜色渲染。 具体图像如图4 所示。 架站式激光扫描仪可以获得比较清楚的人工标靶图像，特别是Z+F 激光扫描仪可以清晰辨认标靶的标号数字，而徕卡背包能够基本获得标靶的图像，可以确定标靶中心的坐标。
图4 标靶的点云渲染影像图
另外，尽量获得测量的建筑特征要素特征点处的点云坐标。 对于密度较大(400+点/ m2)的激光扫描，可以直接捕捉特征点处的坐标；对于密度较小的激光扫描，采用拟合线特征相交的方法获得特征点处的坐标， 若以上两种方法还不能获得特征点的点云坐标，则放弃这样的点。
3.2.2特征点坐标对比分析
使用全站仪一共测量了74 个地物或标靶的特征点，主要分布在车库四周墙上、顶面横梁与墙的交角、支撑立柱的侧面或棱角处，以及顶面通风口的拐角等特征点处。由于各扫描设备架站或行走的路径不同，有些点受汽车的遮挡，不能获得有效的特征点位坐标。对于墙上人工布标点，有些扫描不能获得可判读的信息，也会失去部分特征点坐标的提取。特征点坐标是根据扫描的点云对扫描点处或附近(小于1 mm)直接提取点本身的坐标，对于特征点附近没有激光点而通过点云渲染图可以识别特征点的情况，采用特征相交法获得点云坐标。具体特征点坐标对比结果见表1。
3.2.2.1 特征点数量
以徕卡P20 设备对比的36 个特征点为基准，Z+F 5010C 由于有一个点被汽车挡住，没有扫描到，而徕卡背包和iMS3DⅠ主要是因为扫描点云在特征点处非常稀少或根本就没有点，不能描述特征点的坐标，使得徕卡背包只有29个点，iMS3DⅠ只有24个点，这也说明对于特征点的精细识别，iMS3DⅠ最弱，徕卡背包稍好一些。
3.2.2.2 坐标残差均值
坐标残差均值能够反映残差中是否还有系统误差存在，判断标准根据设备数据采集的原理和性能不同而定。 从对比结果看，徕卡背包具有参加比较设备最大的残差平均值+0.042 m(X 方向)，由于该设备是使用POS 系统获得的测量坐标，因此笔者认为这样的残差值在合理的范围之内，不属于系统差， 而参加比较的其他设备，几乎都在0.020 m 之内，属于合理的范围。
3.2.2.3 中误差
中误差反映了测量点与期望真值的偏离程度。本次研究除了徕卡背包使用POS 系统直接获得激光点云坐标之外，其他的3 种设备都用测量的控制点进行的转换坐标。 而徕卡背包获得的坐标成果，也使用了同样的控制点进行系统差消除处理。因此，可以认为4 种设备使用了同一技术规则进行对坐标真值的解算，是可以比较中误差的。 从对比的结果来看，徕卡背包的高程方向最弱，为0.128m，iMS3DⅠ的X方向最弱，为0.115m， 根据参考文献[9]，满足1∶500数字线划图精度要求。
3.2.3线段长度对比
用激光点特征点计算的线段长度与实际测量的长度比较，可以分析使用激光扫描采集数据的长度变形情况。根据扫描的车库形状，抽取出4 横4 纵共8 条线段比较分析，具体情况见表2。
表2 显示了激光点云获得的线段长度与全站仪测量的长度对比结果：徕卡背包绝对较差最大，为0.155 m；Z+F 5010C 绝对较差最小，为0.051 m；而对于相对较差而言，iMS3DⅠ最大，为0. 73%；Z +F5010C 最小，为0.24%。
3.3对比结果分析
无论是特征点坐标还是线段长度的精度对比结果，静态的激光扫描(Z+F 5010C、徕卡P20)比动态的激光扫描(iMS3DⅠ、徕卡背包)精度高。结果说明，基于激光扫面的特征点位置精度受激光点的扫描方式、密度等因素的影响，静态扫描精度高于动态扫面精度，但都能满足地下空间三维地理信息获取的需求。
4.结语
本研究主要比较分析了4种激光扫描仪对同一目标扫描点云数据的精度。 结果表明，可以用推扫式激光扫描设备采集地下空间位置，虽然精度比架站式低，但扫描效率高。本次扫描区域不大，可以尝试更大、更复杂的空间范围，将有利于深入比较各种设备性能，研究激光扫描地下空间的工艺流程。
作者：韩文泉，胡伍生，陈 昕，王孟和
致谢：特别感谢对本次研究提供设备支持的南京航空航天大学、徕卡公司(武汉)、上海华测公司、北京华泰天宇公司。
参考文献：（可上下滑动查看）
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来源：《测绘通报》2017年第12期（版权归原作者及刊载媒体所有）
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编辑 / 孙浩南 审核 / 付航 荐稿 / 闻小玖
指导：万剑华教授(微信号wjh18266613129)