曾剑雄 高点 阎波 程宗亮 温永凯
中国市政工程中南设计研究总院有限公司 湖北省武汉市 430010
摘要:我国正处于飞速发展的全新时期,矿山企业及矿山测量工作也将面临新的机遇和挑战。矿山测量的主要工作包括地面测量和井下测量,一直以来我们延续矿山测量的任务包括建立矿区地面控制网并绘制矿区地形图;对矿区内地面附着物进行测量,绘制矿区平面图;对井下各类工程进行施工控制和竣工测量等。但是随着科学技术和绿色矿山建设要求的不断提高,矿山二维图纸已经无法满足生产需求,因此探索更加先进并且适合矿山的新测量方法是当下矿山测量人面临的共同问题。
关键词:三维激光扫描技术;立面测量;关键技术;应用
引言
随着我国经济实力的飞速发展,城市中不断涌现出代表城市综合实力的异形建筑。异形建筑即特殊形状的建筑体,其建筑幕墙表面整体的形态呈曲面而表现出较为特殊的立面和空间效果,展现出极强的视觉冲击力和感染力。一幢幢造型各异的建筑给城市带来了无限的吸引力,也对测量工作者提出了巨大挑战,如何高效完成对其规划条件的核实测量已迫在眉睫。三维激光扫描技术,又称实景复制技术,作为测绘领域继GPS技术之后的一次重大技术革命,能高精度、高密度、高速度和非接触地获取地物三维空间信息,近年来已在古建筑修复、文物保护、紧急服务业和测绘工程等领域大展身手。
1三维激光扫描技术概述
近几年备受关注的三维激光扫描技术突破了传统测量中单点测量的模式,该技术通过发射激光来扫描被测物,以获取被测物体表面的三维坐标,其巨大优势就在于可以大面积高分辨率快速扫描被测物体,扫描不需反射棱镜即可直接获得高精度的扫描点云数据进行三维建模和虚拟重现,因此该技术被称为实景复制技术,作为当今时代的先进测量技术,其高精度、高效率的特点为矿井测量提供了新的思路、新的途径。
图1
2三维激光扫描仪测量原理
如图1所示,三维激光扫描仪从测站发出测量激光束并抵达被测物表面,光束发生漫反射,部分返回仪器并被探测到。仪器接收漫反射测量激光束的往返时间为t,再计算被测物体与测站的距离观测值S。同时,仪器内的精密时钟控制的角度编码器可同步测量光束的横向扫描角度观测值φ和垂向扫描角度观测值θ。在工作之初,三维激光扫描仪会自动建立一个测量坐标系,在该坐标系中,三维激光扫描获得的实测数据为:被测点到坐标原点O的直线距离D、垂直转角θ、水平转角φ和回光强度I。仪器软件可以将实测数据转换成坐标系三维坐标值,三维激光扫描仪测得点的三维坐标P(x,y,z)与实测值D、θ、φ的关系为
式中,D为扫描仪与被扫描点的直线距离;θ为激光束垂向方位角;φ为激光束水平方位角与X轴的夹角。
图2地面三维激光扫描仪测量原理
3三维激光扫描技术立面测量的应用
3.1点云数据质量分析
在获取目标大楼完整点云数据后,需要对点云测量精度、噪音情况、游离点情况、信号强度和有效数据覆盖范围等进行分析,确认点云数据能否准确、完整地表达目标大楼空间信息。对点云数据质量的分析主要分以下几方面进行:(1)外业获取点云数据后,需要对单站扫描数据进行拼接以便之后的数据处理与使用。当前的点云拼接算法主要是基于ICP算法(IterativeClosestPoint,迭代最近点算法),这一算法利用最小二乘法,通过找到待配准点云与基准点云之间的旋转度量准则下实现最优匹配[9~11]。点云数据经拼接后的效果如图4所示。根据拼接报告,本次扫描拼接平均精度为±4.67mm,将扫描点位精度、起算精度及对中精度数据带入公式M最终=M点位+M起算+M对中+M拼接,可得最终扫描精度约为±14mm。(2)点云噪点情况:点云的“噪音”情况代表了点云数据分布的离散情况,离散程度过高的点云数据会对后续的测量和信息提取造成干扰。为验证实验所获取点云的噪音情况,选取建筑物上一处平整的墙面,将该部分的点云数据分割出来,并提取该片点云中所有测量点的沿墙壁垂向的分布情况。
3.3点云数据采集
工程采用TrimbleSX10三维激光扫描仪获取点云数据。它集立体测量、摄像和高速3D扫描于一体,在600m范围内可清晰、高速地扫描量测,每秒可获取26600个点云数据。具体技术指标如表1所示。根据少年宫外形特征,本次三维激光扫描主要采用单站绝对定位模式进行数据采集,即将扫描仪设置在图根点上,输入相应参数后进行扫描。为了加快外业工作进度,扫描站点平面坐标和高程值通过广州市连续运行卫星定位城市测量综合服务系统(GZCORS)和广州市似大地水准面直接获取[7],这样可几乎在同一时间段获取建筑点云信息和扫描站点信息。TrimbleSX10三维激光扫描仪提供了粗略、标准、精细和超精细4种扫描模式,可根据现场实际情况、建筑物形体等进行选择,本次工程主要采用精细模式进行作业。
3.4虚拟重建
在采集得到的三维激光点云的环境中,可采用激光光线投射配准算法。首先,设置一个主数据点,该数据点的主要功能为:对可能进行配准的激光点云三维数据进行划分,然后对数据重建区域进行分配,搜集重建后的结果并显示。在此过程中需要对三维点云数据重建环境进行初始化。对调用一些函数计算点云数据集合T中的每个三维激光点云数据的ID号,同时统计所有三维点云数据的总数量信息,这个ID号是区分每个数据点上可调用进程的唯一标志。主数据点,能够调用主进程,对将要进行配准的三维激光点云数据进行计算与数据空间划分,并且给予不同激光点云数据配准任务编号,同时需要对一些约束进行传播,以让其他节点得到重建数据信息,传播的信息包括:任务的总数量N以及数据的大小。
3.5空间信息提取
基于当前的技术条件以及配合既有的规划核验工作管理需要,目标大楼空间信息与结构尺寸主要以建筑物不同位置的平、立、剖面图的形式进行表达。这就需要从点云数据中提取我们感兴趣的信息形成二维线划图,这主要通过对点云数据的切片来实现。通过对点云的切片,可以将任意位置感兴趣的数据独立出来导入AutoCAD环境下,利用相关工具完成对点云数据中信息的提取和利用。
结束语
(1)三维激光扫描仪对地物的测量距离与仪器波长、被测物波谱特征等有关,不同岩石、植被具有不同的波普曲线,三维激光扫描仪对不同岩石和植被测距也不同,通过野外被测对象的波普分析可以得到不同仪器对不同地物的最大测距。(2)测距曲线可通过幂函数表征,通过拟合获得三维激光扫描仪“反射率-最大测距”曲线,利用该曲线计算得获得该扫描仪对不同岩石和植被的最大测距,表明该仪器对岩石的平均最大测距比植被大,适用于边坡或陡崖勘察。(3)通过“测距减噪”方法,可以局部减少危岩体表面植被噪声,为后期模型建立提供较好的原始点云数据,测距分析认为LeicaC10扫描仪的测站设立位置宜在距被测陡崖135m处。
参考文献
[1]秦国成,任志平,张兴志,侯春明,周银,韩达光.BIM结合三维激光扫描技术在异形幕墙设计上的应用[J].测绘科学技术学报,2019,36(05):518-522.
[2]任士峰.基于三维激光的工程测量技术研究[J].世界有色金属,2019(23):183-184.
[3]曹英莉.三维激光扫描技术在矿山测量中的应用[J].世界有色金属,2019(21):14-15.
[4]杨彦军,汪虎福,王瑞.三维激光扫描技术在矿山测量中的应用[J].中国金属通报,2019(12):149+151.
[5]李引生,荆海峰.三维激光扫描技术在湿地地形图测绘中的应用[J].测绘与空间地理信息,2019,42(12):193-195+198.