【摘要】针对传统方法获取地下空间数据效率低的问题，文章直接利用地面激光扫描仪快速获取地下人防工程的激光点云数据，在GPS信号极弱的情况下利用集成的GNSS/IMU获取的惯导信息拼接各扫描站点云数据，借助少量控制点可得到满足测图精度要求的点云数据，使室内外测图一体化大面积生产成为可能。
【关键词】地面激光扫描仪；激光点云；地下空间；快速获取；测图精度
1激光扫描数据获取方法
1.1控制测量
地面激光扫描仪内置GNSS/IMU，在地下空间几乎无GPS信号的情况下利用惯导信息得到相对精度非常高的点云数据，但它获取的原始激光点云三维坐标是系统自定义的坐标系统，因此至少需要四个控制点将点云整体纠正到所需的坐标系中。基于HNCORS系统，利用网络RTK获取地下人防工程出入口4个控制点，为进一步保证精度，向地下人防工程布设2个支导线点作为控制点，采取往返观测方式，控制点精度优于5cm。
1.2地面激光扫描
地面激光扫描仪是在固定位置上通过水平方向360°、竖直方向一定角度旋转扫描，再通过激光器测量的距离和旋转角度，直接计算获取地表物体的三维坐标，形成激光点云数据。本文使用的扫描设备RieglVZ-2000i，可以实现360°×100°的扫描，发射频率达1.2Hz，有效测量速率可以达到50万点/s，测量距离达2.5km，测量精度为5mm，从而可快速、精准的获取高密度的点云数据。在地下空间GPS信号弱的情况下，为了保证点云数据成果精度，本研究缩短了设站距离，保证各站扫描数据的重叠区域，从而保障了后续各站数据精准拼接所需要的共面信息量，进一步保证了地下人防工程点云数据的相对精度。
1.3扫描数据拼接
扫描数据拼接结果决定了点云整体的相对精度。首先利用集成GNSS/IMU获取的惯导信息进行自动粗拼接，即以设定已知站数据为基准，未知站数据逐站拼接，通过各站的旋转、平移形成相对位置稳健的整体，然后进行精密拼接，通过提取横向、纵向、垂直方向等平面特征，进行扫描站之间的精细拟合，平面特征数据集生成的平面标准偏差体现了精密拼接的精度。基于相对精度非常高的精密拼接点云数据，本研究利用室外4个控制点和室内2个控制点将点云整体纠正到所需坐标系中，最终得到满足测图精度要求的地下人防工程激光点云数据。
2实验分析
2.1实验区地面激光点云数据获取方案
实验区为某单位的大型地下人防工程，面积约4423㎡。人防工程为标准设计，内部房角、柱子都为直角，整体近似长方体。首先为保证精度，现场踏勘，选择最优的设站点，同时在人防工程内外布设若干控制点，利用地面激光扫描仪RieglVZ-2000i获取激光扫描数据，通过数据处理得到满足精度要求的地下人防工程点云数据。具体流程如图1所示。
2.2控制点分布
本研究直接利用网络RTK和布设支点和碎步点的方式测量若干控制点，控制点一般选取室内外的房角和柱子转角，由于地面激光扫描仪RieglVZ-2000i获取点云的相对精度非常高，坐标转换时本研究使用了6个控制点获得满足精度要求的点云整体。同时，为了后续的精度分析，测量了部分碎步控制点作为检查点，用于精度验证。
2.3地面激光扫描数据获取
实验区共获取了17站扫描数据，扫描站基本都位于地下人防工程的各拐角，平均站距为20m，平均每站获取的点云数量近1550万，保证了该地下人防工程的点密度、点间距和后续点云成果精度。各扫描站点分布状况如图2所示。
2.4地面激光点云处理
获取地面激光扫描数据后，使用自带的点云处理软件进行点云数据检查、粗拼接、精密拼接、坐标转换、滤噪、影像RGB赋色等，具体数据处理流程如图3所示。
2.4.1数据拼接
基于各站扫描数据，核实点云数据是否齐全、是否存在遮挡，再进行点云数据拼接。本实验点云数据精拼接的标准差为2mm，如图4所示，纵坐标表示提取的平面特征数量，横坐标表示平面标准偏差。
2.4.2坐标转换
导入经过坐标转换的CSCG2000坐标系控制点数据，设置转换矩阵坐标系同控制点坐标系一致，通过关联控制点坐标和工程坐标系中相应点位坐标，达到点云整体坐标转换的目的。本实验使用6个控制点进行关联完成了坐标转换，标准差为1.5cm。
2.4.3精细化处理
地面激光扫描仪获取的点云数据由于多路径效应，避免不了会存在噪点，因此需剔除噪点和人防工程周边多余的点云。此外，利用集成的数码相机获取的照片对点云进行着色处理，RGB点云数据更能展示真实的三维实景，方便位置和距离量测。精细化处理之后的人防工程点云整体如图5所示。
2.4.4精度分析
本次研究精度验证使用的检查点是用全站仪获取的碎步测量点，选取的点位为柱子的拐角、房角等，检查点精度满足测图要求。在点云数据中，采集检查点相应位置的坐标，通过统计对比分析，精度评定情况如表1所示。根据精度评定情况表可知，地下人防工程地面激光点云数据平面中误差为4.2cm，高程中误差为1cm，精度完全满足地下测图要求。由此可见，本研究基于少量控制点的地面激光扫描技术用于地下空间测图是可行的。
3结语
本文利用RieglVZ-2000i地面激光扫描仪快速获取地下人防工程的点云数据，在地下空间信号非常弱的情况下，利用获取的惯导信息自动拼接形成相对精度较高的点云整体，通过坐标转换得到所需坐标系的高精度点云数据，经精度分析满足地下空间测图要求，室内外测图一体化大面积生产将成为可能。同时，高精度的室内外地面激光数据可提高影像三维模型的精度，助力三维测图的进一步推广和应用。
参考文献
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作者：刘元志 周园 单位：湖南省第二测绘院
