全站仪模式获取三维激光扫描点云数据方法研究

张志娟，田继成，葛鲁勇，谢宏全，薛 勇

(1.天津市宝坻区土地整理中心，天津 301800；2.大同市勘察测绘院，山西大同 037006；3.淮海工学院，江苏连云港 222005；4.北京则泰盛业科技发展有限公司，北京 100107)

全站仪模式获取三维激光扫描点云数据方法研究

张志娟1，田继成2，葛鲁勇3，谢宏全3，薛 勇4

(1.天津市宝坻区土地整理中心，天津 301800；2.大同市勘察测绘院，山西大同 037006；3.淮海工学院，江苏连云港 222005；4.北京则泰盛业科技发展有限公司，北京 100107)

结合传统测量理论的基础方法和三维激光扫描作业的先进方式，通过实例验证比较和数据分析来详细阐述采用全站仪模式作业获取三维激光扫描点云数据的方法可行性。

地面三维激光扫描；点云；全站仪模式

一、引 言

地面三维激光扫描技术是一门新兴的测绘技术，是测绘领域继GPS技术之后的又一次技术革命。目前已经逐渐成为广大科研和工程技术人员全新的解决问题的手段，并逐渐取代一些传统的测绘手段，为工程与科学研究提供了更准确的数据。随着三维激光扫描设备在性能方面的不断提升，相应的作业方法也随之进入大家的研究视线，常规的扫描型作业方式是扫描仪从最初应用即开始使用的模式，技术虽然成熟，但在效率和精度上还有提高的空间。本文即从这个视角，通过试验论证采用全站仪模式作业获取的三维激光扫描点云数据方法的可行性。

二、全站仪模式获取点云数据精度研究

1.点云数据获取与拼接

选择合适的扫描目标分别采用全站仪模式方法、标靶扫描方法和特征点方法进行扫描，数据获取过程简要说明如下。

(1)标靶扫描方法

将4个标靶置于待扫描对象的外围，将仪器架设在最佳距离(15 m左右)的位置，对目标物进行扫描，完成该站的目标物扫描任务以后，对标靶进行编号并扫描，完成该测站的扫描任务以后将仪器迁至下一个测站直至完成全部的扫描任务，且相邻两站之间至少有3个公共标靶。扫描任务完成后即利用扫描到的标靶点云数据进行拼接。

(2)特征点方法

在设站点架设仪器，对扫描对象进行扫描，以球形标靶作为特征点使用，扫描完成后迁至下一个测站直至完成全部扫描任务。后期数据处理时找出相邻测站至少3个公共点以进行点云拼接。

(3)全站仪模式方法

在场地内布设4个控制点，在一个点架设仪器，在前后相邻的控制点上同时架设标靶(如图1所示)。按照全站仪模式的外业操作流程完成本次扫描任务。

图1 标靶架设

用Cyclone软件分别对3种方法获取的数据进行点云拼接处理，得到3种方法的点云拼接结果。对3种方法的点云拼接精度取拼接精度误差最大值，数值如表1所示。

表1 点云拼接精度m

2.试验结果分析

由表1可知：全站仪模式方法和标靶扫描法的点云拼接精度满足工程的需求。特征点方法的点云拼接精度误差较大不能满足高精度工程的需求，标靶扫描法是现阶段较常用的扫描方法且精度较高。全站仪模式方法与标靶扫描方法的点云拼接精度相当，因此，此方法也满足工程精度要求高的工程。

通过3种方法试验对比与分析，全站仪模式相的特点叙述如下。

(1)外业操作方面

全站仪模式方法作业时间稍长，主要是标靶架设时需要几分钟时间。对于不规则扫描对象，全站仪模式方法具有很大的优势，可以大大减少架设仪器的次数，从而大大节省扫描时间，减小劳动强度。另外，当工程由于天气和时间等因素暂停扫描时，只要相邻两个控制点在地面的标志稳固，工程可以随时进行后续扫描，同时能够保证两次的扫描数据高精度地衔接。

(2)内业处理方面

全站仪模式能够大大的节省内业拼接时间。标靶扫描方法和特征点方法的拼接次数与测站数成正比，每一次拼接过程都要进行标靶选择的重复操作，耗时比较长。如果在拼接过程中操作不当则会对拼接结果有直接影响。全站仪模式在导线相关信息设置后，可以一次性对所有点云数据进行拼接，而且拼接时不容易出错，拼接方法比较简单，大大减少了内业处理的工作量。

(3)点云数据拼接精度方面

特征点方法的点云拼接精度较差；全站仪模式方法和标靶扫描方法的点云拼接精度基本相当且拼接精度都很高，可以满足精密点云拼接工程的需要。

三、全站仪模式导线平面精度试验研究

1.试验方案设计

依据全站仪光电导线布设方案与试验场地范围情况，本试验设计导线闭合环边数依次为3、4、5、6、7边，每种边数的导线闭合环的边长依次分别为30 m、60 m、90 m左右，共进行15组闭合环的扫描观测。利用Cyclone软件进行点云数据拼接，在导线图上获取边长和角度信息，并利用传统导线平差方法计算导线全长相对闭合差。

2.点云数据获取

(1)场地选择

本次试验对场地要求比较高，场地选择时需要对场地通视、外界影响等多方面因素进行考虑，要求比较开阔、通视条件很好、且人流量较少。

(2)试验仪器准备

本次试验所需包括徕卡C10三维激光扫描仪、配套三脚架、两个普通三脚架、卷尺、电源线、皮尺、球形标靶。

(3)控制点布设

在试验场地的合适位置选择一个起点，此点作为第1个控制点。按照每次试验的闭合导线的边长和边数，用皮尺按照一定的方向量出需要的边长作为第1条边的边长，此边的终点即为第2个控制点。以第1条边的方向和两边之间的夹角确定第2条边的方向，然后用皮尺量出第2条边的边长，第2条边的终点即为第3个控制点，依次确定出每一个控制点的位置，并用记号笔在地面上作出标记。本次研究共进行15组试验，控制点尽量选择在比较开阔且利于仪器架设的地方，每组试验中在控制点布设完成后即可开始扫描工作。

(4)数据获取

在第一个控制点架设扫描仪，在第1个控制点前后的两个控制点上分别架设一个标靶，仪器和标靶都对中整平完成后开始标靶扫描。本次所进行的试验中不对目标物进行扫描只扫描标靶，扫描时先对后视标靶进行扫描以定向，后视标靶扫描完成后对前视标靶进行扫描，扫描完成后则本站的扫描任务完成，将仪器搬迁至下一个控制点，同时将标靶搬迁至仪器所在控制点的前后两个相邻的控制点上进行本测站扫描任务。按照每一测站的扫描步骤一次完成每一测站的扫描任务。按照每一个闭合导线的测量流程完成本次试验共15个闭合导线的扫描观测。

3.导线精度分析

试验完成以后，用U盘将仪器中的数据导出，然后将试验数据导入Cyclone软件中，对每组试验数据进行点云拼接，得到每组数据的导线图。用传统闭合导线平差方法计算出每组闭合导线全长相对闭合差，并对其进行汇总列入表2中。

表2 导线全长相对闭合差

通过表2可知：

1)相同边长不同边数的闭合导线全长相对闭合差没有明显的差异。

2)相同边数不同边长的闭合导线全长相对闭合差随边长增加而变小，精度变高。

3)全站仪模式导线的平面精度与闭合导线的边数没有直接关系，其精度与边长有关，边长越长精度越高。

四、结 论

地面三维激光扫描仪全站仪模式获取点云数据方法外业操作方法简单，两次不连续工程衔接精度高。点云数据拼接精度与常用的标靶扫描方法相当，能够满足项目精度的要求，且该方法可以一次性对所有点云数据进行拼接，而且拼接时不容易出错，拼接方法比较简单。全站仪模式获取点云数据方法可以应用于各种大型扫描任务和扫描目标相对复杂的工程中，可以提高外业的扫描效率，也能够减少内业数据的处理时间。

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0494-0911(2014)09-0087-03

2014-07-16

张志娟(1976—)，女，天津人，工程师，主要研究方向为城市测绘及地籍测量。引文格式:张志娟，田继成，葛鲁勇，等.全站仪模式获取三维激光扫描点云数据方法研究[J].测绘通报，2014(9)：87-89.

10.13474/j.cnki. 11-2246.2014.0302