三维扫描仪在河道勘测中的对比分析

Contrastive Analysis of Three-Dimensional Scanner in River Survey

摘要: 采用地面三维激光扫描，采集反射体的三维坐标数据进行点云数据处理和数学建模而成图。选取中海达HS1200和TrimbleSX10两种三维激光扫描仪器进行试验研究，误差统计分析表明：前者扫面点数据量较大，可升级为船载模式，CAD成图快捷；TimbleSX10扫描点的数据量小，操作简洁，但CAD成图有待提高。两者在山坡陡崖、崩岸险情等监测具有很大的优势，但非沙滩、裸地等区域有待进一步关注与试验。

Abstract: Ground 3D laser scanning was used to collect 3D coordinate data of the reflectorperform point cloud data processing and mathematical modeling. Two kinds of three-dimensional laser scanning instruments, namely Haida HS1200 and TrimbleSX10, were selected for experimental research. The error statistical analysis showed that the former had a large amount of scanning points and could be upgraded to shipborne mode. CAD drawing was fast; TimbleSX10 scanning point data volume was small, and its operation was concise; but CAD mapping needed to be improved. The two have great advantages in monitoring hillside cliffs and bank collapse, but non-sand beaches, bare land and other areas need further attention and experimentation.

1. 引言

随着测绘技术不断发展，地形图测量方式方法更新换代，全站仪数字测图、GNSS RTK技术测图、数字摄影测量等技术不断涌现，测绘类仪器精度越来越高，测绘技术也在朝着一体化方向迅速发展。三维激光扫描技术就是一种新的一体化测量技术，可满足24小时全天候作业，已经广泛应用于水利工程、隧道监测、数字化工厂管道、变形测量、公路测量、电力测量、三维数字城市建设、海洋测绘等各个行业领域 [1] [2] [3] [4] [5] ，同时在汶川堰塞湖地形测量、长江洪湖燕窝段崩岸险情等应急监测中发挥了巨大的作用。国外三维激光扫描技术起步较早，国内主要有武汉大学的“LD激光自动扫描测量系统” [6] 、北京天远科技有限公司的天远OKIO系列地面三维激光扫描仪 [7] 等。本文选取中海达HS1200及TrimbleSX10两种设备，运用于长江河道勘测中，通过数据采集、处理、统计与分析与传统测量方式进行了对比。

2. 系统概况及扫测原理

2.1. 系统概况

三维激光扫描系统由扫描仪主机与点云后处理软件组成。其中，主机搭载高分辨率集成相机，通过激光扫测可以快速、准确的获取物体三维坐标，测量精度为2 mm。按采用原理，测量方式主要分为基于相位差式、基于脉冲式、三角测距等；按测量范围，则分为长距离和短距离。一般基于相位差原理的三维激光扫描仪测程较短，约百米左右；而基于脉冲式原理的三维激光扫描仪测程较长，最远测程可达6 km。

2.2. 扫测原理

图1给出了三维激光扫描仪内部坐标的计算方法。该系统通过扫描测站点到待测物体表面的任一目标点的距离S，并获得测量瞬间激光脉冲的横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值θ，进而求得激光角点在物体表面的基于三维激光扫描仪的内部坐标系统三维坐标值，坐标计算公式见式(1)。

Figure 1. 3d laser scanner internal coordinate system

图1. 三维激光扫描仪的内部坐标系统

$\{\begin{array}{l}X=S\cos \theta \cos \alpha \\ Y=S\cos \theta \cos \alpha \\ Z=S\sin \theta \end{array}$ (1)

通过式(1)解算出的坐标为扫描点云相对于测站坐标的相对位置，再通过标靶后视坐标成果实现系统坐标转换，即可将点云坐标转换为测站坐标系下的空间三维坐标系。

3. 数据采集

3.1. 中海达HS1200采集

1) 控制测量

现场布设好控制点，标记好点名、点号和日期；通过传统测量方式精确测量控制点坐标。根据仪器设备的扫描要求，每一测站大致需要施测约6个左右控制点，用于后期将点云的坐标系统转换至当地控制系统中以及两两测站之间的点云拼接。

2) 点云数据采集

中海达HS1200仪器设备进行点云数据采集共施测两站。主要有以下情况：

① 扫描的有效距离约500 m。

② 每一站仅扫描耗时约20分钟，总计耗时约2小时。

③ 布设控制点8个。

④ 总计扫描面积约0.3 km²。

3.2. TrimbleSX10采集

1) 控制测量

现场布设好控制点，标记好点名、点号和日期；通过传统测量方式精确测量控制点坐标。

2) 点云数据采集

TrimbleSX10共施测4站。主要有以下情况：

① 扫描的距离约500 m。

② 每一站仅扫描耗时约20分钟，总计耗时约3小时。

③ 布设控制点4个。

④ 总计扫描面积约0.1 km²，地形区域复杂。

4. 数据处理与统计

4.1. 数据处理

4.1.1. 点云数据处理

在地形测量一体化中，三维激光所获取的原始点云数据密度大，冗余度高且有部分空白区域，所以点云数据必须要经过一系列的平滑去噪、匹配拼接、压缩抽稀以及空洞修补等处理 [8] 。

4.1.2. 数学建模与成图

对处理完成后的点云数据再进行建数学模，提并取特征点和特征线，绘制地形图。

1) 点云数据的建模

根据三维数学模型表达方式的不同，对点云数据构建模型有多种方法，常见的一种是基于三维点云的点阵模型进行建模，对处理后的点云封装构造网格，再通过曲面拟合法，最终生成点云数据模型 [9] 。

2) 点云重采样

利用三维激光扫描仪采集的点云数据，经过预处理后，其点云数据量还是较大，后续的坐标转换和地形图的绘制不需要如此多的点数据，所以在此之前，点云须重采样 [10] 。

3) 点云的坐标转换

三维激光扫描仪采集的点云和一般的地形测量所建立的坐标系一般是不相同的，所以在对点云的最终成图前要进行坐标转换。本文进行坐标转换采用的模型为布尔沙(Bursa)模型 [11] [12] [13] [14] 。

4) 地形成图

地物的绘制主要是提取地物的特征点、特征线。地物特征点的提取是在处理后的点云数据中人工提取的，如房屋角点。并以一定的格式输出到文本文件后直接导入到大比例尺数字测图软件中绘制地物。地貌的绘制是在EPSW或者CASS中依据点云数据构建三角网并自动生成等高线 [15] 。

4.2. 数据统计与分析

4.2.1. 数据统计

选取长江干流荆江河段内2公里的典型河滩区域(如图2)，采用传统测量方式与三维激光扫描仪方法进行采集、数据处理成图，然后进行对比分析，并计算特征点的平面位置中误差以及高程点或等高线内插中误差，其计算公式见式(2)、(3)。

Figure 2. Map of typical waterfront area

图2. 典型河滩区域示意图

$M_{x,y}=\pm \sqrt{\frac{{\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}\left({\left({X^{\prime }}_i-X_i\right)}^2+{\left({Y^{\prime }}_i-Y_i\right)}^2\right)}}{n-1}}$ (2)

$M_h=\pm \sqrt{\frac{{\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}{\left({H^{\prime }}_i-H_i\right)}^2}}{n-1}}$ (3)

1) 无遮挡区域地面测点较差统计

① 平面较差统计

本次共选取40个特征点进行了对比，统计结果如表1：

Table 1. Characteristics of different ways of measuring point difference statistics

表1. 不同测量方式特征点平面较差统计表

② 高程互差统计如表2：

Table 2. Different ways of measuring height feature points difference statistic values

表2. 不同测量方式高程特征点互差统计表

③ 计算中误差

根据式(2)、(3)计算平面位置中误差以及高程中误差为：

$M_{x,y}=0.054\text{m}$

$M_h=0.025\text{m}$

2) 遮挡植被区域地形点高程较差对比

遮挡植被区域高程较差最小值为0.09 m，最大值为0.71 m。因为含有植被的区域误差与植被高度有关，特别是密实的植被影响，基本上无法后处理，高程值则不可使用。

4.2.2. 分析结论

1) 裸露地表进行三维激光扫描的平面及高程精度较高，满足大比例尺测图的精度。

2) 含有植被的区域误差与植被高度有关，特别是密实的植被区域，不能采用此方法作业。

5. 误差分析

从三维激光扫描仪设备本身来说，测量误差包括仪器误差、目标物体反射面相关误差和多路径误差和外界条件引起的误差 [16] 。在实际测量中还有以下几个误差来源：

1) 植被对高程的影响

试验区域内由于存在草坪、麦田、花坛等植被区域，三维激光扫面后无法处理过滤，造成有植被的区域高程值偏大。

2) 点云数据拼接影响

在进行测量时未采用后视控制点的不同测站间数据进行拼接时，主要采用两站间的同一地物的匹配进行鼠标手工拼接，会造成一定的误差。

3) 其他影响因素

仪器操作、作业环境、控制成果等方面的影响。

6. 结论

1) 中海达HS1200三维激光扫描仪为传统设备，而天宝产品为新型设备(国内外仪器设备及软件支持发展存在差距)；中海达设备扫面点数据量较大，但设备可以升级为船载模式，后处理程序开发基于CAD成图模式较为方便快捷，而TrimbleSX10三维激光型扫描全站仪，设备较为先进，扫描点数据量小，操作采用平板模式，较为简介明了，后处理软件基于TBC开发，部分功能还在开发中，成CAD图存在短板；另外，TrimbleSX10比中海达HS1200在优化点云密度上有改进。

2) TrimbleSX10采用TBC可以处理部分高植物、电力通信线等，但仍然存在不足，需要更好的点云数据处理软件来进行处理，而中海达已推出了基于CAD开发的点云数据的地形测绘软件，但仍需改进。

3) 地面三维激光扫描在山坡陡崖、崩岸险情等监测具有很大的优势，但非沙滩、裸地等区域不宜使用，有待进一步关注与试验。

参考文献