摘 要： 三維激光掃描技術是近幾年來發(fā)展起來的一項新興技術，該儀器具有采集點云速度快、質量高、精度優(yōu)良，非接觸式的特點，本文分析了三維激光掃描儀外業(yè)采集數據作業(yè)流程與內業(yè)建模處理流程之后，將其利用在日照測量中。分析了系統誤差與偶然誤差的來源，并且提出了減小誤差的方法，最后通過工程實例，比較了與全站儀實測精度以及工作效率，最后得出了三維激光掃描儀在日照測量應用中的可行性與適用性。
關鍵詞： 點云; Cloudworx插件; 日照分析; 立體模型;
Abstract： 3D lasers canning technology is a new technology developed in recent years.The three-dimensional laser scanner has the advantages of fast acquisition speed and high quality.It has excellent precision and non-contact characteristics.After analyzing its data acquisition and processing flow,it is used in sunshine measurement.The source of system error and accidental error is analyzed,and the method to reduce the error is put forward.Finally,through an engineering example,the accuracy and efficiency of the total station are compared.Finally,the feasibility and applicability of the three-dimensional laser scanner in sunshine measurement are obtained.
Keyword： point cloud; cloudworx; sunshine measurement; stereo model;
0 、引言
隨著經濟的發(fā)展，人口的日益增加，有限的土地為滿足人類的需求，高程建筑乃至超高層建筑在各大城市拔地而起。隨之而來的主要問題也即出現，擬建或者再建高層建筑會出現遮擋原有相鄰建筑物的問題。這一問題帶來的后果就是侵犯了原有居民的合法權利，早在2007年我國頒布實施的《物權法》中明確規(guī)定了[1]，因新建的建筑物，對附近已有建筑物的陽光遮擋，必須滿足國家住宅日照標準的要求。為城市提供日照測量服務已經是城市測繪院一項日常的常規(guī)任務[2]。
三維激光掃描儀是一種以高效、高精度、快速獲取點云矢量坐標的儀器漸漸地出現在很多測量工作中，其工作原理是利用掃描儀對目標發(fā)射激光，根據激光發(fā)射和接受的時間差來計算目標距離，再結合水平方向和垂直方向的距離和角度值，即可計算出目標點的三維球心坐標。這些大量具有矢量性質的點組成點云存儲在機器中。三維激光掃描儀中的佼佼者為天寶公司生產的TX8型三維激光掃描儀，其主要技術參數如表1所示：
TX8中配置了激光技術，并結合脈沖技術和相位技術，在120m測程范圍內，能夠同時保持每秒100萬個點的速度和2mm的精度來獲取數據，當擴展至340m測程范圍時，也可以達到每秒40萬個點的速度[3]。本文利用三維激光掃描儀在地鐵控制導線基礎上，采用外業(yè)布置靶球的測量作業(yè)模式，同時在外界干擾影響最小的情況下進行作業(yè)，圖1為天寶TX8三維激光掃描儀。
表1 天寶TX8主要儀器參數
圖1 天寶TX8三維激光掃描儀
1 、日照測量內容與要求
日照測量工作即是在待建或者擬建建筑物周邊一定太陽高度角下，可能遮擋的范圍內，對范圍內建筑物及其構筑物測量立面窗口并標示出來的工作。日照測量為日照分析提供基礎測量數據。
《城市居住區(qū)規(guī)劃設計規(guī)范》中明確規(guī)定了建筑物有效日照時間的數值，應滿足大寒日日照數不應小于2h。根據大部分城市的規(guī)定，需要對擬建建筑高度1.5倍扇形范圍的已有建筑進行日照測量分析，并對遮擋的面積與時長進行規(guī)定數額的賠償[4]。
按照日照測量分析的要素歸納總結，對被遮擋建筑測量內容規(guī)定如下：
(1）主、客體建筑各建筑尺寸關系測量。日照分析的各個主、客體建筑長、寬尺寸及其間距均需要測量。
(2）主、客體建筑正負零位置及其高程測量。正負零一般指一層室內地坪。正負零高程應采用圖根水準測量方法測量。建筑物有多個正負零時，應分別測量標注。
(3）主、客體建筑高度測量。主體建筑應實測其頂面與日照分析有關的、高低錯落的各個不同部位的高程，包括檐口、女兒墻、屋脊、水箱間、電梯間、裝飾墻等。
(4）建筑立面細部測繪。與日照分析有關的建筑物立面上的窗戶、陽臺、門的位置、寬度、高度及間距。因不考慮自身遮擋，客體建筑的檐口、女兒墻、屋頂附屬物可不必測繪，但對其他建筑造成遮擋的，應測繪。
2 、三維激光掃描儀野外采集數據
一般三維激光掃描儀在日照測量中應用分為大致三個流程：外業(yè)數據采集、內業(yè)數據處理、立面模型建立與分析。詳細流程如圖2所示[5]。
2.1、 控制測量
三維激光掃描儀所獲取的點云坐標是球心坐標，為將其坐標轉化為當地城市坐標，必須作業(yè)前選擇適當控制點，用城市網絡RTK建立圖根級控制點，點位精度優(yōu)于2cm，完全滿足控制要求。
2.2 、三維激光掃描儀外業(yè)
外業(yè)測量時，相鄰測站間均要有三個靶球同時存在等因素。且在儀器工作時，禁止觸碰掃描儀，盡量避免有人員或車輛在掃描儀視野中穿過，掃描設置各項參數請參考相關文獻[6,7,8]。
圖2 作業(yè)流程
2.3、 掃描儀數據外業(yè)檢查
每測站在完成掃描作業(yè)之后，要立即進行數據檢查。檢查內容主要有：（1）檢查數據是否已經存儲完畢并且保存上；（2）檢查是否可以打開灰度圖；（3）檢查掃描區(qū)域是否有遺漏；（4）檢查靶球是否已掃描上；（5）檢查是否存在噪點或噪點是否影響后期應用。上述若干項檢查完畢后方可進行搬站，若上述項目有沒通過者，可以框選該區(qū)域，選擇合適的檔位進行局部重新掃描。兩次掃描的點云會自動拼接，或者有必要進行重新采集數據。
3 、內業(yè)處理
3.1 數據預處理
外業(yè)數據采集到的格式均為專業(yè)成圖軟件Trimble RealWorks可識別的標準工程文件，包括由RWI測站文件夾和RWP快捷方式組成的文件。去噪方式分為手動編輯與自動過濾，自動過濾包括距離過濾、離群、統計、角度；手動編輯通過框選噪聲點，使用刪除工具，將噪聲點去除[9]。
3.2 、點云拼接及成果輸出
外業(yè)采集的成果可采用基于靶球拼接方式，或者采用公共點云拼接。采用公共點云拼接時，兩站間的點云重合率根據相關文獻和大量的內外業(yè)結合得出點云重合率不應少于20%的經驗；當采用靶球拼接時，兩站間公共靶球數量一般不應少于3個。根據靶球三維坐標將每個測站的點云數據歸算到日照測量使用的三維坐標系統中。點云拼接可選擇自動配準拼接和手動配準拼接，可根據委托方要求對點云數據進行抽稀處理，輸出點云數據和實景瀏覽成果。
3.3 、立面繪制
將點云拼接的模型數據導入CAD插件Cloudworx中，利用CAD強大的圖形編輯功能即可實現立面圖的繪制。在Cloudworx中，通過定義不同的投影面，將三維點云模型投影到二維平面，在平面中提取并繪制特征線。有時特征點線模糊不清，可在外業(yè)中拍攝立面照片，以供立面圖繪制時作參考[10]。
4、 精度分析及減小誤差方法
4.1、 點云精度分析
點云數據中誤差可根據成因不同分為系統誤差與偶然誤差。系統誤差的大小是由儀器自身硬件條件決定的，如激光的發(fā)散度、旋轉棱鏡的精度、雙軸補償精度等。其中激光的發(fā)散度決定了三維激光掃描儀的有效測程，隨著距離的增加，激光的發(fā)散度不斷增加，采集的點云數據精度也隨之降低。偶然誤差具有隨機性，比較復雜。但一般可歸結為測距誤差、測角誤差和外界環(huán)境引起的誤差三類。其主要影響因素有激光測距誤差，三軸誤差和外界溫度、氣壓等。此外，目標物體的顏色、傾斜也會對測量誤差造成影響。一般表現為，物體顏色明亮的，其吸收激光弱，反射激光強，測量誤差相對較小；物體傾斜影響激光入射角越大則誤差越大。
4.2 、減小誤差方法
(1）增加設站點數目：一是可以減小掃描距離，從而降低激光發(fā)散度；二是可以減小激光光束方向與物體表面切平面法線的角度；三是可調節(jié)擋位，采用更高一級的檔位來獲得更多的點云，這樣可以更加詳細地獲得被掃描物體的表面特性。
(2）提高控制網精度。其意義在于減小點云數據拼接時產生的誤差，減小重復觀測中因控制網誤差對點云數據的影響。
(3）提高點云的拼接精度。該方法是選擇合適的拼接算法和拼接方法。點云數據量大時，搜索同名點時非常耗時的。因此可在被測目標上提前安置一定數量的反射標靶，就像本文提及的靶球，可有效減小拼接工作量。
5 、應用實例
某城市于2019年6月底審批建設一座216米地標性建筑，該棟建筑審批之后，著手于對周邊進行日照分析，因該擬建建筑位于市中心，周邊居民密集，建筑多是7層混房。開發(fā)商委托該城市測繪院進行日照測量，由于擬建建筑高度巨大，在其影響范圍內有130多棟之多，工期緊，任務重。為完成該任務，該城市測繪院采用天寶TX8型三維激光掃描儀，實際外業(yè)時間7天完成，如使用全站儀則需要4個班組耗時30工天才能完成外業(yè)工作。
為比較三維激光掃描儀的絕對精度，選擇該區(qū)域內某朝族小學教學樓為研究對象，該棟樓點云拼接效果如圖3所示，根據模型獲得的立面數據如圖4所示。
圖3 點云模型
圖4 立面圖
為比較點云精度與傳統測量方法（比如全站儀免棱鏡方法），本文對該棟建筑提取20個特征點，求得點位中誤差，如表2所示：
表2 點位中誤差表
提取該棟建筑物特征線20條邊，與全站儀測量結果進行比對，得到邊長中誤差為2.8cm，詳見表3。
表3 邊長中誤差表
從表2中可以看出，除個別特征點誤差在1cm以上，其余點位誤差均可滿足《城市規(guī)范中的要求》。邊長中誤差小于5cm也滿足規(guī)范要求。個別誤差較大可能與去噪效果不如預期，人眼識別誤差，外業(yè)掃描角度都有關系。
6、 結束語
本文探索嘗試了三維激光掃描儀新的應用，將其應用在日照測量。不僅提高了效率，并且精度也達到了傳統測量的精度，完全能夠滿足規(guī)范的要求。但在應用中也會存在一些問題，比如內業(yè)立面數據的描繪完全按照個人經驗判斷；點云中噪點數量巨大，剔除困難；建模中會存在拼接誤差，直接降低了立面圖的精度等問題有待解決。隨著科技的進步，儀器掃描精度的提高，內業(yè)成圖軟件的完善將會慢慢解決諸如以上問題。同時隨著多元傳感器的融合，三維激光掃描儀必將會用更大的應用前景。
參考文獻
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