馬 娟，楊麗銷，朱家銳

(昆明冶金高等?？茖W校測繪學院，云南 昆明 650033)

0 引 言

地面三維激光掃描儀在測繪地理信息領域中主要應用于建筑物測繪、地形測量、土木工程測量等方面[1]，其掃描作業(yè)流程大致分為掃描方案設計、外業(yè)數據采集、內業(yè)數據處理3部分。測繪工作中，原始測量數據質量不達標，會對后續(xù)內業(yè)數據處理工作造成直接影響，甚至無法推進。因此，在地面三維激光掃描作業(yè)過程中，掃描方案設計和外業(yè)數據采集是基礎，更是內業(yè)數據處理和成果應用的保障。

本文結合筆者所在院校購買的Topcon GLS-1500地面式三維激光掃描儀，根據多年在三維激光掃描技術應用課程教學和科學研究中的實踐經驗，詳細介紹如何根據掃描對象的結構特征，設計合適的掃描方案以及開展外業(yè)數據采集工作。

1 掃描儀技術參數

在實際應用中，掃描方案設計和外業(yè)數據采集必須考慮地面三維激光掃描儀的主要技術參數，如最大最小掃描距離、采樣密度、掃描角度范圍等，確保掃描方案和數據采集作業(yè)在技術上可行。

Topcon GLS-1500是拓普康公司推出的一款地面式三維激光掃描儀，主要技術參數：最大掃描距離150～330 m(18%～90%反射率)，最小掃描距離 1 m，測距精度 4 mm/150 m，最大采樣密度 1 mm/100 m，水平/豎直方向角度精度6″，最大掃描速度 30 000 點/s，水平方向掃描角度范圍0～360°，豎直方向掃描角度范圍-35～35°，雙軸補償、補償范圍±6′，工作方式為脈沖式。

2 外業(yè)數據采集方法

熟悉地面三維激光掃描儀的外業(yè)數據采集方法有利于進行掃描方案設計。地面三維激光掃描儀的外業(yè)數據采集方法主要有3種：基于“測站點+后視點”的數據采集方法、基于標靶的數據采集方法和基于點云數據自動拼接的數據采集方法[2]。

2.1 基于“測站點+后視點”的數據采集方法

基于“測站點+后視點”的數據采集方法類似于傳統(tǒng)測量，需要將掃描儀和標靶架設在已知控制點上，依次完成設站、定向、掃描等操作。該方法需要提前布設控制網，借助全站儀、RTK等儀器實施控制測量。在具體實施掃描時，由于經過前期的控制測量，理論上各測站點和后視點(標靶點)的坐標已經統(tǒng)一在同一空間參考系統(tǒng)下，因此，后期點云數據配準的過程實質上只是完成不同測站點云數據的拼接，無需再考慮坐標轉換問題，拼接精度高。采用基于“測站點+后視點”的數據采集方法，不需要相鄰測站之間有重疊區(qū)域，一般適用于掃描對象范圍比較大且復雜的情況。

2.2 基于標靶的數據采集方法

基于標靶的數據采集方法不需要提前布設控制網，掃描儀和標靶不用架設在已知控制點上，測站和標靶位置可以根據掃描對象的結構特征，選擇開闊區(qū)域任意設置。該方法的關鍵在于必須要在相鄰測站間設置至少3個不共線的標靶且均與相鄰測站通視，目的是后期通過公共標靶實現各測站點云數據的配準和拼接。該方法一般也不需要相鄰測站間有重疊區(qū)域，通常適用于掃描小型獨立對象，數據拼接精度高。

2.3 基于點云數據自動拼接的數據采集方法

基于點云數據自動拼接的數據采集方法和基于標靶的數據采集方法很相似，但區(qū)別在于該方法不需要標靶加以輔助，只要保證相鄰測站間至少有30%的重疊點云數據即可。由于該方法需要人工選擇重疊區(qū)域具有明顯特征的公共點完成點云配準和拼接，過程復雜，和實施者的經驗有很大關系，因此，數據拼接精度低于前2種方法，一般較少采用。

3 掃描方案設計

地面三維激光掃描儀在開展實際工作之前，需要制訂詳細的工作計劃，并做好準備工作，主要包括根據掃描對象的不同和精度要求設計合理的掃描路線，確定恰當的采樣密度，大致確定掃描儀至掃描對象的距離、設站數和大致的設站位置、標靶數和大致的標靶位置等[3]。制訂掃描方案的目的是為了高效完成外業(yè)數據采集任務，以盡量少的設站數獲得盡量完整的掃描對象信息，減少掃描盲區(qū)，避免或減少后期補測工作量[4]。

為保證能完整、準確地獲取掃描對象的點云數據，在測區(qū)范圍不大、距離不太遠的情況下，建議盡可能到現場踏勘，制訂切實可行的掃描方案。若測區(qū)地形條件復雜或距離太遠，現場實際踏勘有困難，則可以根據測區(qū)現有的地形圖在圖紙上進行掃描方案初步設計,實地作業(yè)時，再結合掃描對象自身及周邊環(huán)境的具體情況靈活調整[5-6]。

值得注意的是，在制訂掃描方案之前，制訂者需要非常熟悉地面三維激光掃描儀的數據采集方法，以便有利于根據掃描對象的結構特征、周圍環(huán)境以及掃描成果的具體應用選擇合適的數據采集方法，而數據采集方法的確定往往直接影響掃描方案的制訂。

3.1 測量基準和控制測量

地面三維激光掃描作業(yè)的平面坐標系宜采用CGCS 2000，當采用地方坐標系時應與CGCS 2000建立聯系；高程基準宜采用1985國家高程基準，當采用地方高程基準時應與1985國家高程基準建立聯系。當然，用戶也可以根據需要自定義平面坐標系和高程基準[7]。

三維激光掃描儀在數據采集過程中，各測站獲取的點云數據都有1個獨立的儀器坐標系。根據實際應用需求，若不需將掃描對象完整的點云數據轉換到統(tǒng)一的國家或地方坐標系中，僅僅為了后續(xù)獨立三維建模的需要，則不用提前進行控制測量，只需在相鄰測站間至少架設3個公共標靶，后續(xù)通過標靶拼接或公共特征點拼接的方法，將各測站點云數據拼接到一起。

若掃描對象范圍比較大且復雜，則一般選擇基于“測站點+后視點”的數據采集方法，需要提前布設控制網。方案制訂者應根據現場踏勘和手頭已有的測區(qū)及周邊地形圖、正射影像圖和控制成果資料等，繪制掃描對象的控制網略圖，標定控制點位置，統(tǒng)計控制點個數。結合成果應用目的，確定空間參考系統(tǒng)，利用全站儀、RTK等測量儀器，獲取各控制點坐標。需要明確一點，無論采用哪種空間參考系統(tǒng)，都必須結合掃描成果的最終應用，以確定是否要對點云數據進行坐標轉換。

3.2 測站和標靶布設

測站和標靶布設需要結合具體選擇的外業(yè)數據采集方法來確定。

若選擇基于“測站點+后視點”的數據采集方法，經過前期的控制測量，掃描儀和標靶均架設在已知控制點上，這種情況下測站布設需要考慮的因素相對比較單純，只需要根據掃描對象的結構特征、周圍環(huán)境，確定測站與掃描對象之間的空間位置關系，如掃描覆蓋范圍、掃描角度(正前方或側方)、掃描距離、最大仰角和最小俯角等，在保證掃描對象數據不遺漏的情況下，最后確定總共需要布設的測站數；而標靶布設只需要考慮其與相對應測站之間的通視良好即可，距離不宜過遠，通常1個即能滿足要求。

若選擇基于標靶的數據采集方法，測站和標靶的設置除了考慮以上要素外，還需要考慮如何布設公共標靶，以方便后期數據配準和拼接。如點云數據需要統(tǒng)一到國家或地方坐標系，應與國家或地方坐標系中的已知點進行聯測。

若選擇基于點云數據自動拼接的數據采集方法，則測站布設相對要靈活一些。由于該方法是利用相鄰測站獲取的點云重疊區(qū)域內的公共特征點進行后期數據配準和拼接，因此，測站布設時只需要保證相鄰測站間至少有30%的重疊區(qū)域即可，無需使用標靶。當然，若需要將點云數據統(tǒng)一到國家或地方坐標系中時，依然應與國家或地方坐標系中的已知點進行聯測。

4 實 例

4.1 普通建筑立面掃描方案設計和外業(yè)數據采集

普通建筑區(qū)別于古建筑，是提供給人們進行生產生活或其它活動的空間場所。利用地面三維激光掃描儀對普通建筑立面進行掃描，主要目的是建立建筑物三維模型，為數字城市建設服務。本文以我校教學大樓為例，說明普通建筑立面的掃描方案設計和外業(yè)數據采集工作。

4.1.1 掃描方案設計

教學大樓位于我校安寧校區(qū)中心位置，共5部分，包括1個主樓和4個附樓，主樓長約 100 m、寬約 35 m、高約 50 m；附樓長約 40 m，寬約 22 m，高約 15 m。經現場踏勘，大樓四周地勢相對平坦，前后有校內主干道、籃球場、足球場、噴泉和聞道廣場等，均為水泥和瀝青路面，視野比較開闊，設站條件良好；左右兩側為綠化景觀及小路并通向校內道路，樹多、大且茂密，設站相對受限。教學大樓外觀(東南向)如圖1所示。

本次掃描目的是為了更精確地獲得大樓的三維空間坐標，構建三維模型，以便將成果納入1987昆明坐標系中。根據現場踏勘情況，結合掃描目的和精度要求以及Topcon GLS-1500三維激光掃描儀的功能，選擇基于“測站點+后視點”的數據采集方法。

1)測量基準和控制測量。此次掃描采用校區(qū)內的2個高等級控制點(1987昆明坐標系，1985國家高程基準)作為起算點，以保證后期將教學大樓的三維模型納入地方坐標系中。

布設控制網時，平面控制采用全站儀或RTK進行導線測量，高程控制采用四等水準測量，建立測區(qū)的基礎控制，為后續(xù)數據采集提供控制點坐標。

2)掃描方案。制訂掃描方案時，綜合考慮以下幾個主要因素：教學大樓的建筑結構、外物遮擋和自遮擋、掃描儀的最大仰俯角和最大掃描距離。由于教學大樓左右兩側外物遮擋較多，且自身建筑結構復雜，存在自遮擋現象，大樓外墻立面玻璃材料居多，容易發(fā)生鏡面反射，針對這些問題考慮采用多站多角度掃描，盡量在待掃描立面的正前方安置儀器，確保點云數據的完整性和精度。本次掃描方案共布設16個測站、8個標靶，測站和標靶坐標提前由控制測量完成。教學大樓掃描方案如圖2所示。圖2中，S代表測站位置，B代表標靶位置，A代表掃描立面。數字標注如“85(100)”，分別表示測站點到掃描立面的平距為 85 m，外業(yè)數據采集時掃描距離設置為 100 m。

部分測站描述如下。

測站S1對A1面進行掃描，標靶點B1，設站距離 85 m，掃描距離 100 m。

測站S2對A2、 A3面進行掃描，標靶點B1，設站距離 55 m，掃描距離 57 m。

測站S4、S5對教學大樓的A6面進行掃描。因A6面下部樹木遮擋嚴重，遠距離設站只能掃描上部，下部掃描只能繞過遮擋樹木近距離設站完成，因此，測站S4負責A6上部掃描，S5負責A6下部掃描，標靶點均為B3，設站距離分別是 85 m 和 25 m，掃描距離分別是 100 m 和 30 m。此外，測站S5還擔負掃描A5和A8 2個面的任務，具體參數如圖2所示。

同樣，測站S9、S10對A12面進行掃描。因教學大樓高約 50 m，若近距離設站，掃描儀的最大仰角無法到達頂部，建筑立面掃描不完整；若遠距離設站，樹木又會對待掃描面造成遮擋，因此，考慮遠距離布設測站S9用于掃描A12面的上部，近距離布設測站S10用于掃描A12面的下部，標靶點均為B5，設站距離和掃描距離如圖2所示。

需要說明，教學大樓樓頂的A22面無法采用地面三維激光掃描儀實施掃描作業(yè)，可利用無人機搭載三維激光掃描系統(tǒng)完成。

4.1.2 外業(yè)數據采集

掃描方案制訂以后，即可實施外業(yè)數據采集工作。此次掃描中，各測站采樣分辨率水平和豎直方向均為 3 cm。以一個測站上的掃描作業(yè)為例，說明具體的掃描方法。

1) 安置儀器。將三維激光掃描儀和標靶分別安置在相應控制點上，對中整平。

2) 標靶掃描。掃描儀開機自檢完成后，依次新建工程、新建測站、輸入測站點名稱和坐標以及靶標點名稱和坐標，瞄準標靶實施掃描。掃描成功后，保存定向成果。

3) 立面掃描。標靶掃描完成后，轉向待掃描立面，設置掃描范圍、掃描距離和掃描分辨率，實施掃描。

一測站掃描完成后，搬站，重復步驟1)～3)，直至全部掃描作業(yè)完成。

4.2 景觀小品掃描方案設計和外業(yè)數據采集

景觀小品一般體量較小、形狀不規(guī)則。利用地面三維激光掃描儀對景觀小品進行掃描，主要還是為整體三維景觀建模服務，增加美觀性，起到點睛作用。本文以我校教學主樓前聞道廣場的景觀石為例，說明不規(guī)則物體的掃描方案設計和數據采集工作。

4.2.1 掃描方案設計

聞道廣場景觀石位于教學主樓聞道廣場噴泉水池上方，長約 2 m、寬約 0.3 m、高約 1.5 m。本次掃描目的是為了構建三維模型，不需要真實坐標。經現場踏勘，景觀石四周視野比較開闊，地勢平坦且均為水泥和瀝青路面，除南向距離水池欄桿較近、設站受限外，其它方向均無遮擋，可以靈活設站。聞道廣場景觀石全景如圖3所示。

圖3 聞道廣場景觀石Fig.3 Landscape stone in Wen Dao Square

根據景觀石的結構特征，以及掃描目的和精度要求，結合其周邊環(huán)境和Topcon GLS-1500三維激光掃描儀的功能，選擇基于標靶的數據采集方法。由于景觀石寬(厚度)約 0.3 m，不必單獨設站掃描，可以選擇將其納入某一個大面積主立面中，共同實施掃描。本次掃描方案共布設2個測站、3個標靶，每個測站均掃描1大1小2個立面，以保證景觀石點云數據的完整性。此外，現場踏勘確定測站位置時，除考慮掃描距離外，還需要特別考慮掃描儀的豎直角度范圍，以保證在測站點安置掃描儀能夠通過掃描裝置看到景觀石的最高和最低處，確保實際掃描范圍和計劃掃描區(qū)域一致。測站和標靶點需要在地面上做好臨時標志。聞道廣場景觀石掃描方案如圖4所示，測站1掃描1、22個立面，測站2掃描3、42個立面，測站1和測站2均與3個標靶通視良好。

圖4 聞道廣場景觀石掃描方案Fig.4 Scanning scheme of landscape stone in Wen Dao square

4.2.2 外業(yè)數據采集

掃描方案制訂好以后，即可選擇合適的時間、天氣實施外業(yè)數據采集。出發(fā)前，施測者務必檢查掃描設備及配件是否準備齊全，人員是否到位。到達測區(qū)現場后，按照提前制訂的掃描方案，找到地面上的臨時標志，安置掃描儀和標靶，注意保證3個標靶之間應有高度差。主要掃描步驟如下。

1)儀器安置。將三維激光掃描儀和標靶分別安置在測站1、標靶1、標靶2、標靶3處，對中整平。

2)標靶掃描。掃描儀開機自檢完成后，依次新建工程、新建測站。采用基于標靶的數據采集方法不需要輸入測站坐標和靶標坐標，只需依次掃描3個標靶。

3)景觀石掃描。標靶掃描完成后，轉向景觀石待掃描立面，設置掃描范圍、掃描距離和掃描分辨率，實施掃描。各測站采樣分辨率水平和豎直方向均為 5 mm。

一測站掃描完成后，搬站，重復步驟1)～3)，直至全部掃描作業(yè)完成。

5 外業(yè)數據采集注意事項

Topcon GLS-1500三維激光掃描儀通過瞄準待掃描目標的左上角和右下角完成掃描范圍設置。由于儀器視角不同于人的觀察視角，因此施測者在設置掃描范圍的左上、右下時必須考慮立體幾何構圖的“近高遠低”現象，確保瞄準的左上、右下角點是“最高”和“最低”點，以保證設置的掃描范圍能夠將待掃描目標完全包含在內，沒有遺漏。以規(guī)則建筑立面為例說明，如圖5所示，分3種情況討論。

圖5 測站與待掃描立面位置關系圖Fig.5 The relative position of station and scanning facade

圖中，A、B、C、D、F分別是待掃描建筑立面的頂端左上角、頂端正中位置、頂端右上角、底端左下角、底端右下角處的點。

1)測站位于待掃描立面的正前方，如圖5(a)所示。根據“近高遠低”原理，從掃描儀視角出發(fā)，B點是物體頂部離掃描儀最近的點，是待掃描立面的最高點。因此，在設置掃描范圍的左上角時，應先瞄準B點，再平移至左上角。這樣操作后，施測者會發(fā)現，平移后的掃描儀瞄準的左上角位置實際上比A點位置要高出許多。當設置掃描范圍的右下角時，由于D、F均為最低點，故直接將掃描儀瞄準F點即可。筆者做過試驗，若不考慮“近高遠低”現象，直接將掃描范圍的左上角設置在A點處，則待掃描建筑立面的點云數據頂部會出現一個比較有規(guī)律的弧形缺口，造成點云數據缺失，如圖6所示。

圖6 未考慮“近高遠低”造成的點云數據缺失 Fig.6 Defective data caused by “near high and far low” is not considered in point cloud

2)測站未安置在待掃描立面的正前方，如圖5(b)所示。根據“近高遠低”原理，從掃描儀視角出發(fā)，A點是物體頂部離掃描儀最近的點，F點是物體底部離掃描儀最遠的點，二者分別是待掃描立面的最高點和最低點。因此，設置掃描范圍的左上、右下時，直接瞄準A點、F點即可。

3)測站未安置在待掃描立面的正前方，如圖5(c)所示。這種情況雖然類似于圖5(b)，但掃描儀安置的位置不同。圖5(c)中，從掃描儀視角出發(fā)，C、D兩點分別是物體頂部和底部距離掃描儀最近和最遠的點，但二者卻不是待掃描立面的左上角和右下角。設置掃描范圍時，依然需要先瞄準C點再平移至A點，瞄準D點再平移至F點。

6 結 語

掃描方案設計和外業(yè)數據采集是三維激光掃描儀順利開展掃描作業(yè)，生產合格成果，并成功應用于行業(yè)的基礎和保障。本文從地面三維激光掃描儀的外業(yè)數據采集方法入手，介紹了制訂掃描方案的目的和內容，并結合Topcon GLS-1500地面式三維激光掃描儀，通過2種不同類型的掃描對象實例，詳細論述了掃描方案制訂和外業(yè)數據采集方法，并對外業(yè)數據采集過程中需要注意的關鍵問題作了闡述。結果表明，綜合考慮以上因素后，獲取的點云數據在完整性、拼接精度、空間參考一致性等方面可靠性均有增加。