劉會云，李永強(qiáng)，劉文龍，牛路標(biāo)，毛 杰，閆陽陽，楊莎莎

（1.河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作454000；2.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京100048）

激光掃描技術(shù)是近年來測繪領(lǐng)域迅速發(fā)展的一項(xiàng)前沿技術(shù)，具有數(shù)據(jù)獲取速度快、精度高、非接觸以及能快速獲取密集面陣點(diǎn)云等優(yōu)勢，展示出廣闊的發(fā)展前景。按搭載平臺的不同，激光掃描主要分為機(jī)載激光掃描、車載激光掃描和地面三維激光掃描，其中地面三維激光掃描由于其相對方便靈活的特點(diǎn)，在文物保護(hù)、考古、精細(xì)三維建模、災(zāi)害測量等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1-4］。地形測量是三維激光掃描應(yīng)用的一個重要方面，通過快速獲取地表密集面陣點(diǎn)云，并采用相應(yīng)數(shù)據(jù)處理方法，構(gòu)建精細(xì)三維表面模型，為各種應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。在工程施工中，利用精細(xì)三維表面模型為精確地形測量和土方量算提供技術(shù)支持，可快速掌握工程進(jìn)展情況［5-8］。通過對同一區(qū)域不同時期精細(xì)三維表面模型的對比分析，可以在不需要控制點(diǎn)支持的情況下，從面覆蓋的角度實(shí)現(xiàn)地表變化探測與檢測，對于控制點(diǎn)布設(shè)困難以及控制點(diǎn)容易遭到破壞的監(jiān)測和研究工作（例如危險滑坡體監(jiān)測、沙漠變化監(jiān)測、開采沉陷監(jiān)測等［9-15］），具有重要意義。三維激光掃描儀在地形測量方面的應(yīng)用日益普及，其中的一個重要方面就是平緩地形測量（如開采沉陷監(jiān)測、工地施工測量、公路竣工測量等），受架設(shè)儀器高度的限制，在掃描平緩地形時，有效掃描半徑往往只有幾十米，在掃描邊緣區(qū)域時，掃描點(diǎn)密度非常稀疏，若要增加邊緣點(diǎn)密度，則需要大幅度增加掃描時間，作業(yè)效率受到限制。本文在深入分析三維激光掃描儀作業(yè)原理的基礎(chǔ)上，提出分區(qū)掃描方法，基于數(shù)據(jù)點(diǎn)密度均衡的原則，對不同掃描區(qū)域設(shè)置不同的掃描參數(shù)，合理分配數(shù)據(jù)點(diǎn)，減少冗余數(shù)據(jù)，縮短數(shù)據(jù)采集時間，提高對平緩地形測量的作業(yè)效率。

1 三維激光掃描儀工作原理

地面三維激光掃描儀主要有兩種工作模式：脈沖模式和相位模式，用于地形測量的三維激光掃描儀多為脈沖模式。激光掃描儀在內(nèi)置伺服系統(tǒng)驅(qū)使下，在水平方向和垂直方向分別以等角度發(fā)射并接受脈沖信號，根據(jù)各脈沖飛行時間測量各掃描點(diǎn)到激光掃描儀中心的距離，根據(jù)各掃描射線與激光掃描儀自定義坐標(biāo)軸的夾角，計算各數(shù)據(jù)點(diǎn)在掃描儀自定義坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)。在儀器高度H一定的情況下（見圖1），同一條豎直掃描線內(nèi)，掃描儀以步進(jìn)角度θ掃描數(shù)據(jù)，隨著掃描角度α的增加，掃描半徑逐漸增大，相鄰掃描點(diǎn)的間隔也逐漸增大，當(dāng)掃描角度接近90°時，掃描半徑變得很大，相鄰掃描點(diǎn)的間隔也非常大。假設(shè)儀器中心距地面1.8m，則不同掃描角度α所對應(yīng)的掃描半徑如表1所示。同樣，在水平方向內(nèi)，激光掃描儀以等角度繞豎直軸旋轉(zhuǎn)，每步進(jìn)一個角度，激光掃描儀獲取一條豎直掃描線數(shù)據(jù)，隨著掃描半徑的增加，相鄰豎直掃描線間數(shù)據(jù)的間隔也逐漸增加。

圖1 垂直方向掃描角度與掃描半徑關(guān)系示意圖

表1 掃描角度與掃描半徑對照表

圖2 數(shù)據(jù)點(diǎn)分布示意圖

圖2為激光掃描儀數(shù)據(jù)點(diǎn)分布示意圖，從圖中可以看出，激光掃描點(diǎn)在儀器中心附近，點(diǎn)的密度非常大，隨著距離的增加，掃描點(diǎn)密度逐漸減小，在邊緣區(qū)域變得非常稀疏。三維激光掃描儀對平緩地形測量的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布非常不均衡，半徑10m的小區(qū)域集中了整個測站80%的數(shù)據(jù)點(diǎn)，存在大量冗余數(shù)據(jù)，而其它所有邊緣區(qū)域數(shù)據(jù)量僅為20%，外圍數(shù)據(jù)點(diǎn)密度嚴(yán)重不足，這是單一參數(shù)設(shè)置方法存在的主要問題。

2 分區(qū)測量方法

使用地形三維激光掃描儀獲取平緩地形數(shù)據(jù)時，一個重要的原則是盡可能獲得密度均衡的數(shù)據(jù)點(diǎn)。使用三維激光掃描儀獲取地表精細(xì)三維表面模型時，數(shù)據(jù)點(diǎn)密度是三維表面精度的重要保障，以開采沉陷監(jiān)測為例，一般情況下，要獲得1～2cm的地表精度，數(shù)據(jù)點(diǎn)的間隔需要達(dá)到0.2～0.3m［13，16］，只有數(shù)據(jù)點(diǎn)密度達(dá)到一定程度時，才能成為有效掃描。在對平緩地形進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，儀器架設(shè)高度有限的情況下，其數(shù)據(jù)分布非常不均勻：在儀器中心附近，數(shù)據(jù)點(diǎn)的密度非常大，數(shù)據(jù)點(diǎn)的間隔甚至達(dá)到mm級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過應(yīng)用需求，造成數(shù)據(jù)的嚴(yán)重浪費(fèi)；在邊緣區(qū)域，數(shù)據(jù)點(diǎn)非常稀疏，這造成每測站的有效掃描半徑有限。激光掃描儀以一定的頻率發(fā)射激光脈沖，發(fā)射激光脈沖數(shù)量與掃描時間基本成正比關(guān)系，若使邊緣區(qū)域數(shù)據(jù)密度增加，則需要增加掃描點(diǎn)密度，勢必造成掃描時間大幅度增加，作業(yè)效率顯著降低。在每測站中，有效掃描半徑和掃描時間的矛盾，在一定程度上限制了三維激光掃描儀對平緩地形的測量應(yīng)用。

三維激光掃描儀進(jìn)行地形掃描時，在水平角度通常采用360°角度掃描，而在豎直角度設(shè)置時，不同掃描角度區(qū)間所覆蓋的環(huán)帶面積不同，其推導(dǎo)過程如下：設(shè)儀器高度為H，掃描角度區(qū)間為［α，α＋θ］，則環(huán)帶的內(nèi)環(huán)半徑為H＊tanα，外環(huán)半徑為H＊tan（α＋θ），則環(huán)帶面積為 πH2［tan2（α＋θ）-tan2α］，如圖3所示，可以看出，隨著掃描角度α的增加，環(huán)帶的面積逐漸增加，當(dāng)掃描角度α接近90°時，即使θ值很小，環(huán)帶面積仍然很大，若要保證環(huán)帶內(nèi)掃描點(diǎn)的密度，則必須使水平和豎直方向的步進(jìn)角度減小，增大環(huán)帶內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)采集時間，增加數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量；當(dāng)掃描角度α較小時，即使θ值較大，環(huán)帶面積仍然較小，若要提高數(shù)據(jù)采集效率，則需要增大水平和豎直方向的步進(jìn)角度，縮短環(huán)帶內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)采集時間，減少數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量。

圖3 掃描角度區(qū)間與環(huán)帶面積關(guān)系示意圖

基于上述分析，提出分區(qū)掃描方法：如圖4所示，根據(jù)到掃描儀中心距離的不同，將掃描范圍分為若干環(huán)狀區(qū)域，每個環(huán)狀區(qū)域分別對應(yīng)不同的豎直掃描夾角，各區(qū)域基于掃描點(diǎn)密度均衡的原則，設(shè)置不同的掃描參數(shù)。在相同參數(shù)設(shè)置情況下，各環(huán)帶內(nèi)靠近激光掃描儀中心的部分，其數(shù)據(jù)點(diǎn)仍然比遠(yuǎn)離掃描中心區(qū)域數(shù)據(jù)點(diǎn)密度大，因此每個環(huán)帶所跨范圍不宜過大，一般情況下，最外圍環(huán)帶寬度以20～30m為宜，內(nèi)圍以10～20m為宜。最外圍環(huán)帶所占的面積最大，而所包含的掃描角度非常?。?8°～89°之間），在豎直方向需要設(shè)置很小的掃描步進(jìn)角，同時在水平方向的步進(jìn)角也需要適當(dāng)減小，這樣才能使整個區(qū)域數(shù)據(jù)點(diǎn)密度增大且相對均衡。最內(nèi)圍環(huán)帶所覆蓋面積最小，所包含的掃描角度較大（45°～70°之間），在豎直方向需要設(shè)置較大的掃描步進(jìn)角，在水平方向的步進(jìn)角度也需要適度減小。在中間區(qū)域，可以設(shè)置2～4個環(huán)帶，相對于外圍的環(huán)帶，在豎直方向和水平方向步進(jìn)角都要適當(dāng)增大。

圖4 分區(qū)掃描原理

3 試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證文中所述方法的有效性，作者進(jìn)行了試驗(yàn)對比分析，選擇地形平緩的開闊空地為試驗(yàn)區(qū)（見圖5（a）），使用Leica Scanstation2激光掃描儀采集數(shù)據(jù)，儀器設(shè)置高度為1.8m，該款儀器掃描角度為360°×270°，采用360°方式掃描后，會在儀器下面留下半徑為1.8m的空洞區(qū)域。分別采用分區(qū)掃描方法和整體掃描方法獲取試驗(yàn)區(qū)地形數(shù)據(jù)，參數(shù)設(shè)置和用時如表2所示。分區(qū)掃描方法共分為4個分區(qū)，用時26.5min，每次掃描參數(shù)設(shè)置時間為1min，共計30.5min。整體掃描用時86.5min，參數(shù)設(shè)置時間為1min，共計87.5min。從作業(yè)時間來看，分區(qū)掃描所花費(fèi)時間為整體掃描花費(fèi)時間的35%，作業(yè)效率明顯提高。

對各分區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，各分區(qū)環(huán)帶面積與所包含數(shù)據(jù)點(diǎn)個數(shù)呈正比，數(shù)據(jù)點(diǎn)分布均勻，數(shù)據(jù)點(diǎn)密度在100～300個／m2，邊緣點(diǎn)間隔均大于0.2m。以0.2m數(shù)據(jù)點(diǎn)密度為有效掃描范圍計算，其有效掃描半徑超過67m。對整體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，按分區(qū)掃描半徑統(tǒng)計對應(yīng)分區(qū)，結(jié)果如表4所示，可以看出，各分區(qū)面積所占比例與點(diǎn)數(shù)比例呈反比，數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布極不均勻，以0.2m數(shù)據(jù)點(diǎn)密度為有效掃描范圍計算，其有效掃描半徑尚不足43m。豎直掃描角度分別為88°～89°、85°～88°、70°～85°、45°～70°的分區(qū)掃描方法為較為理想的方法，與整體掃描方式相比，前者在作業(yè)效率、有效掃描半徑等方面均有明顯優(yōu)勢，數(shù)據(jù)點(diǎn)密度分布得到很大改善，利用效率明顯提高。

圖5 分區(qū)掃描結(jié)果對比

表2 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

表3 分區(qū)掃描結(jié)果分析

表4 整體掃描結(jié)果分析

4 結(jié)束語

本文從地面三維激光掃描儀基本工作原理出發(fā)，針對平緩地形掃描時點(diǎn)密度不均勻、冗余數(shù)據(jù)多、有效掃描半徑小等問題，提出分區(qū)掃描的方法，不同子分區(qū)設(shè)置不同的掃描參數(shù)，合理分配數(shù)據(jù)點(diǎn)密度，提高作業(yè)效率。分區(qū)掃描方法是對單一參數(shù)掃描方式的改進(jìn)，掃描效率明顯提高，掃描半徑明顯增大，將進(jìn)一步促進(jìn)三維激光掃描儀在地形測量中的應(yīng)用和研究。提高三維激光掃描儀對平緩地形測量的效率，主要從兩個方面進(jìn)行改進(jìn)：①從儀器性能入手，選擇性能更優(yōu)的儀器，縮短單站掃描所需時間；②從作業(yè)方法入手，除文中所提出的分區(qū)掃描方法外，還可以增加掃描儀架設(shè)高度，以增加有效掃描半徑。盡管當(dāng)前三維激光掃描技術(shù)發(fā)展迅速，儀器設(shè)備更新很快，每2～3年即完成一代技術(shù)更新，但作為價格昂貴的儀器設(shè)備，每款設(shè)備都需要有一定的使用年限，在追求儀器性能進(jìn)步的同時，也需要重視對操作方法的改進(jìn)。作者下一步研究重點(diǎn)將是研發(fā)專門輔助設(shè)備工具，在適合野外作業(yè)的情況下，有效增加三維激光掃描儀作業(yè)高度，增加有效掃描半徑，提高作業(yè)效率。

［1］李永強(qiáng)，劉會云，馮梅，等.大型古建筑文物三維數(shù)字化保護(hù)研究＿以白馬寺齊云塔為例［J］.河南理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，12（2）：186-190.

［2］赫春曉，李浩.基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的三維實(shí)景構(gòu)建［J］.測繪工程，2013，22（1）：81-85.

［3］劉江濤，張愛武.三維數(shù)字化技術(shù)在三星堆遺址中的應(yīng)用［J］.首都師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，28（4）：68-71.

［4］歐斌.地面三維激光掃描技術(shù)外業(yè)數(shù)據(jù)采集方法研究［J］.測繪與空間地理信息，2014，37（1）：106-108.

［5］曹先革，楊金玲，司海燕，等.地面三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度影響因素及控制措施［J］.測繪工程，2014，23（12）：5-7.

［6］王春曉，紀(jì)育強(qiáng)，孫強(qiáng)，等.三維激光掃描技術(shù)在海洋模型試驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.海岸工程，2013，32（2）：55-62.

［7］白立飛，潘寶玉，張?zhí)m.三維激光掃描技術(shù)在數(shù)字礦山領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.測繪科學(xué)，2013，38（5）：178-179.

［8］雷朝鋒.基于三維激光掃描技術(shù)在豫北露天礦測量中的應(yīng)用研究［J］.測繪與空間地理信息，2014，37（8）：96-98.

［9］OPPIKOFER T，JABOYEDOFF M，BLIKRA L，et al.Characterization and monitoring of the Aknes rockslide using terrestrial laser scanning［J］.Nat.Hazards Earth Syst.Sci.，9，1003-1019，2009.

［10］ABELLAN A，JABOYEDOFF M，OPPILOFER T，et al.Detection of millimetric deformation using a terrestrial laser scanner：experiment and application of a rockfall event［J］.Nat.Hazards Earth Syst.Sci.，9，365-372，2009.

［11］趙小平，閆麗麗，劉文龍.三維激光掃描技術(shù)邊坡監(jiān)測研究［J］.測繪科學(xué)，2010，35（4）：25-27.

［12］丁連剛，嚴(yán)平，杜建會，等.基于三維激光掃描技術(shù)的草方格沙障內(nèi)蝕積形態(tài)監(jiān)測［J］.測繪科學(xué)，2009，34（2）：90-92.

［13］徐進(jìn)軍，王海城，羅喻真，等.基于三維激光掃描的滑坡變形監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理［J］.巖土力學(xué)，2010，31（7）：2188-2191，2196.

［14］LI Yongqiang，LIU Huiyun，WEI Fengyuan.Research on Techniques and Methods of 3DLaser Scanning Monitoring Coal Mining Subsidence［J］.室蘭工業(yè)大學(xué)紀(jì)要，Vol.59，pp.115-118，2010.

［15］周大偉，吳侃，周鳴，等.地面三維激光掃描與RTK相結(jié)合建立開采沉陷觀測站［J］.測繪科學(xué)，2011，36（3）：79-81.

［16］張舒，吳侃，王響雷.三維激光掃描技術(shù)在沉陷監(jiān)測中應(yīng)用問題探討［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，36（11）：92-95.