手持式三维激光扫描仪测量防空洞精度控制方法

刘平利，乔天荣，张鸿祥，郑玉生

（1.河南省地质调查院 河南省城市地质工程技术研究中心，河南 郑州 450001）

目前，城市中的老旧防空洞已出现塌方、水淹等现象，对城市危害非常大，因此准确掌握老旧防空洞在城市地下分布的准确三维坐标位置，能为防空洞修复和危害治理提供可靠的数字基础。相对于利用全站仪等传统测量方式来说，基于手持式三维激光扫描仪获取的海量点云数据，能更加全面地呈现防空洞内部的三维结构；在进行内业处理分析时，能更加快速地批量获取防空洞的断面数据和准确体积。然而，获得有效成果的前提是获取点云数据的准确度，以及把误差控制在有效精度范围内。本文探讨了手持式三维激光扫描仪的设备应用场景、误差因素和精度控制手段，以期在精度合格的基础上，找到更加快速便捷的操作扫描方案。

1 手持式三维激光扫描仪的工作原理

手持式三维激光扫描仪的工作原理为：由激光测距仪的激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被激光测距仪的接收器所接收；接收器准确记录光脉冲从发射到被反射回的传播时间，由于光脉冲以光速传播，因此接收器总会在下一个脉冲发出之前收到前一个被反射回的脉冲，鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量；结合激光器的高度和激光扫描角度，即可准确计算出空间每一点的三维坐标信息。惯性测量单元（IMU）主要用来记录扫描仪的位置[1]，是测量物体三轴姿态角（或角速率）和加速度的装置。一般来说，一个IMU包含3个单轴的加速度计和3个单轴的陀螺，加速度计负责检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，陀螺负责检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，进而测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。

GeoSLAM手持式三维激光扫描仪主要由激光扫描仪、IMU和SLAM算法3个主要要素组成。其核心是GeoSLAM业界的SLAM算法，可实现封闭环境的快速移动测量，无需GPS；可在极短时间内安全、高效、精确地获取空区数据，从而获取防空洞的三维形态，并可任意量取所需的距离和计算截面积、体积等。利用手持式三维激光扫描仪测量防空洞的步骤为：

1）扫描。利用手持式三维激光扫描仪快速对线性防空洞进行全方位扫描，三维激光扫描可快速准确地获得防空洞内部的三维空间扫描数据。

2）全自动系统处理。通过数据传输、数据自动拼接、数据分析、加入控制点纠正数据等步骤进一步提高数据准确度。

3）数据获取。获得防空洞的三维点云数据，再进行距离量算、剖面截取、体积量算、三维建模等操作。

手持式三维激光扫描仪的测距精度为3～5cm，扫描线性累计误差标称为1‰，适用于巷道、防空洞等精度要求较低的场景，一般达到10cm即可。

2 误差因素

除测量控制点、外界环境和仪器自身的影响[2]带来的误差之外，可根据误差产生的时刻将造成防空洞扫描误差的人为可控误差划分为测段误差和拼接转换误差[3]。

2.1 测段误差

测段误差是指每个测段数据内部的误差，对于手持式三维激光扫描设备来说，是将每个瞬间仪器捕获的三维画面进行增量式叠加套合，再利用惯导技术进行内部纠正点云数据拼接[4]，形成一个测段的三维多视点云数据[5]。忽略仪器本身的性能，提高单个测段数据精度的主要方法为降低单个测段的扫描时间和减少扫描距离，让其达到一个合理区间的或然值。以GeoSLAM公司的ZEB-REVO为例，线性累计误差的标定值为1‰，当使用该设备持续扫描距离为50m时，单个测段数据内部的线性累计误差最大可达5cm。

2.2 拼接转换误差

拼接转换误差是指在测段拼接和坐标转换时产生的误差。对于防空洞线性扫描的场景，拼接误差有一个很大的特点，即线性累积，第n个测段拼接后的坐标完全由下一个测段（n+1）决定。引入控制点，在完成坐标系统转化的同时，对拼接造成的累积误差进行平差，因此控制点的直接距离远近、精度高低将直接影响测段拼接精度。

2.3 手持式三维激光扫描仪粗差

由于手持式三维激光扫描仪利用惯导技术，在测段扫描时需要特征点进行数据拼接，因此不是所有的目标都可以采用该设备进行扫描，如洞内壁光滑、没有特征点、地面有水的区域，易造成扫描成果错误。防止错误出现的方法为多设置控制点和放置特征物，让扫描数据能准确识别并进行有效拼接，保证每个时刻数据正确的拼接，才能避免粗差[6]的出现。

3 实际应用

防空洞测量首先要确定测量防空洞碎部的精度，要求精度的高低直接决定了控制点之间的距离和测段扫描之间的距离。本次测量防空洞要求点云数据距控制点的精度为10cm，因此以控制点前后各100m为一个测段，将扫描测段距离设置为100m，扫描的防空洞为2.8km。利用全站仪在防空洞内部做导线，100m左右为一个控制点。利用三维扫描仪单次扫描获取到100 m的防空洞点云数据视为一个测段。为了适应手持设备小巧灵活、边走边扫描的特点，可为其定制更加轻便的目标球支架，把目标球架设在全站仪做的控制点上，对仪器进行对中、整平，量取目标球的高度。

1）公共目标球串接。在两次SLAM扫描的公共部分放置3个以上的公共目标球，作为两次测段扫描的拼接重叠点依据。 要求目标球不能太集中、尽量分散，不在一条直线上、不成等腰三角形，避免两次拼接出现粗差，利用公共目标球的控制点坐标，对两个测段的点云数据进行拼接、纠正和检核。纠正高程时，一定要注意目标球的高度量取方式，否则将直接影响拼接高程的精度。每隔100m做一个控制点，即两个测段组合的首尾各做一个控制点，在这100m内采用Trimble RealWorks的网平差工具对误差进行平差，可达到防空洞测量时要求的10cm精度。

2）测段绝对定位。在每个扫描区段内准备3个控制点，每个站点都需完成绝对定位；或退而求其次，在两个扫描区段内设置3个控制点。为了控制每个站点数据内部的精度，每段只扫描100m，因此需要每100m设置一个控制点。对于这种作业方式，利用Trimble RealWorks的地理坐标转换工具，每两个测段作一次坐标平差，可将测量精度控制在10cm误差以内；再对所有的测段进行拼接，形成最终成果。

3）精度检核。手持式三维激光扫描仪具有简便、快捷、对环境适应能力强、效率高等特点，但当被描物体表面光滑、无明显特征，尤其是老旧防空洞地面有水时，将自动错误拼接。处理结果与防空洞的形状基本一致，用肉眼有时看不出拼接错误，因为当数据自动拼接找不到重合点时，有可能利用惯性直接认定一个目标点进行点云数据处理，因此要想让其准确无误地把目标扫描出来，必须在防空洞内部布设控制点，且尽量布设在防空洞两端。对于距离短的防空洞，利用全站仪从地面引入控制点进行检核即可；对于距离较长的防空洞，有条件的可在防空洞的两端通过打钻进行验证，可从距离和高差上检核扫描数据成果有没有明显的错误。

4 结 语

针对线性防空洞的三维激光扫描项目，本文介绍了手持式三维激光扫描仪的使用场景。SLAM手持式三维激光扫描设备精度可达3cm，适合于人防防空洞等精度要求较低的场景（一般要求10cm）。在控制住单站误差的前提下，针对不同的作业模式，本文探讨了减小测段拼接与坐标转换阶段误差的方法。本文着重分析了点云数据拼接时的误差来源，提出了加入控制点约束提高扫描防空洞精度的方法。