地面三维激光扫描方案设计及外业数据采集

马 娟，杨丽销，朱家锐

(昆明冶金高等专科学校测绘学院，云南 昆明 650033)

0 引 言

地面三维激光扫描仪在测绘地理信息领域中主要应用于建筑物测绘、地形测量、土木工程测量等方面[1]，其扫描作业流程大致分为扫描方案设计、外业数据采集、内业数据处理3部分。测绘工作中，原始测量数据质量不达标，会对后续内业数据处理工作造成直接影响，甚至无法推进。因此，在地面三维激光扫描作业过程中，扫描方案设计和外业数据采集是基础，更是内业数据处理和成果应用的保障。

本文结合笔者所在院校购买的Topcon GLS-1500地面式三维激光扫描仪，根据多年在三维激光扫描技术应用课程教学和科学研究中的实践经验，详细介绍如何根据扫描对象的结构特征，设计合适的扫描方案以及开展外业数据采集工作。

1 扫描仪技术参数

在实际应用中，扫描方案设计和外业数据采集必须考虑地面三维激光扫描仪的主要技术参数，如最大最小扫描距离、采样密度、扫描角度范围等，确保扫描方案和数据采集作业在技术上可行。

Topcon GLS-1500是拓普康公司推出的一款地面式三维激光扫描仪，主要技术参数：最大扫描距离150～330 m(18%～90%反射率)，最小扫描距离 1 m，测距精度 4 mm/150 m，最大采样密度 1 mm/100 m，水平/竖直方向角度精度6″，最大扫描速度 30 000 点/s，水平方向扫描角度范围0～360°，竖直方向扫描角度范围-35～35°，双轴补偿、补偿范围±6′，工作方式为脉冲式。

2 外业数据采集方法

熟悉地面三维激光扫描仪的外业数据采集方法有利于进行扫描方案设计。地面三维激光扫描仪的外业数据采集方法主要有3种：基于“测站点+后视点”的数据采集方法、基于标靶的数据采集方法和基于点云数据自动拼接的数据采集方法[2]。

2.1 基于“测站点+后视点”的数据采集方法

基于“测站点+后视点”的数据采集方法类似于传统测量，需要将扫描仪和标靶架设在已知控制点上，依次完成设站、定向、扫描等操作。该方法需要提前布设控制网，借助全站仪、RTK等仪器实施控制测量。在具体实施扫描时，由于经过前期的控制测量，理论上各测站点和后视点(标靶点)的坐标已经统一在同一空间参考系统下，因此，后期点云数据配准的过程实质上只是完成不同测站点云数据的拼接，无需再考虑坐标转换问题，拼接精度高。采用基于“测站点+后视点”的数据采集方法，不需要相邻测站之间有重叠区域，一般适用于扫描对象范围比较大且复杂的情况。

2.2 基于标靶的数据采集方法

基于标靶的数据采集方法不需要提前布设控制网，扫描仪和标靶不用架设在已知控制点上，测站和标靶位置可以根据扫描对象的结构特征，选择开阔区域任意设置。该方法的关键在于必须要在相邻测站间设置至少3个不共线的标靶且均与相邻测站通视，目的是后期通过公共标靶实现各测站点云数据的配准和拼接。该方法一般也不需要相邻测站间有重叠区域，通常适用于扫描小型独立对象，数据拼接精度高。

2.3 基于点云数据自动拼接的数据采集方法

基于点云数据自动拼接的数据采集方法和基于标靶的数据采集方法很相似，但区别在于该方法不需要标靶加以辅助，只要保证相邻测站间至少有30%的重叠点云数据即可。由于该方法需要人工选择重叠区域具有明显特征的公共点完成点云配准和拼接，过程复杂，和实施者的经验有很大关系，因此，数据拼接精度低于前2种方法，一般较少采用。

3 扫描方案设计

地面三维激光扫描仪在开展实际工作之前，需要制订详细的工作计划，并做好准备工作，主要包括根据扫描对象的不同和精度要求设计合理的扫描路线，确定恰当的采样密度，大致确定扫描仪至扫描对象的距离、设站数和大致的设站位置、标靶数和大致的标靶位置等[3]。制订扫描方案的目的是为了高效完成外业数据采集任务，以尽量少的设站数获得尽量完整的扫描对象信息，减少扫描盲区，避免或减少后期补测工作量[4]。

为保证能完整、准确地获取扫描对象的点云数据，在测区范围不大、距离不太远的情况下，建议尽可能到现场踏勘，制订切实可行的扫描方案。若测区地形条件复杂或距离太远，现场实际踏勘有困难，则可以根据测区现有的地形图在图纸上进行扫描方案初步设计,实地作业时，再结合扫描对象自身及周边环境的具体情况灵活调整[5-6]。

值得注意的是，在制订扫描方案之前，制订者需要非常熟悉地面三维激光扫描仪的数据采集方法，以便有利于根据扫描对象的结构特征、周围环境以及扫描成果的具体应用选择合适的数据采集方法，而数据采集方法的确定往往直接影响扫描方案的制订。

3.1 测量基准和控制测量

地面三维激光扫描作业的平面坐标系宜采用CGCS 2000，当采用地方坐标系时应与CGCS 2000建立联系；高程基准宜采用1985国家高程基准，当采用地方高程基准时应与1985国家高程基准建立联系。当然，用户也可以根据需要自定义平面坐标系和高程基准[7]。

三维激光扫描仪在数据采集过程中，各测站获取的点云数据都有1个独立的仪器坐标系。根据实际应用需求，若不需将扫描对象完整的点云数据转换到统一的国家或地方坐标系中，仅仅为了后续独立三维建模的需要，则不用提前进行控制测量，只需在相邻测站间至少架设3个公共标靶，后续通过标靶拼接或公共特征点拼接的方法，将各测站点云数据拼接到一起。

若扫描对象范围比较大且复杂，则一般选择基于“测站点+后视点”的数据采集方法，需要提前布设控制网。方案制订者应根据现场踏勘和手头已有的测区及周边地形图、正射影像图和控制成果资料等，绘制扫描对象的控制网略图，标定控制点位置，统计控制点个数。结合成果应用目的，确定空间参考系统，利用全站仪、RTK等测量仪器，获取各控制点坐标。需要明确一点，无论采用哪种空间参考系统，都必须结合扫描成果的最终应用，以确定是否要对点云数据进行坐标转换。

3.2 测站和标靶布设

测站和标靶布设需要结合具体选择的外业数据采集方法来确定。

若选择基于“测站点+后视点”的数据采集方法，经过前期的控制测量，扫描仪和标靶均架设在已知控制点上，这种情况下测站布设需要考虑的因素相对比较单纯，只需要根据扫描对象的结构特征、周围环境，确定测站与扫描对象之间的空间位置关系，如扫描覆盖范围、扫描角度(正前方或侧方)、扫描距离、最大仰角和最小俯角等，在保证扫描对象数据不遗漏的情况下，最后确定总共需要布设的测站数；而标靶布设只需要考虑其与相对应测站之间的通视良好即可，距离不宜过远，通常1个即能满足要求。

若选择基于标靶的数据采集方法，测站和标靶的设置除了考虑以上要素外，还需要考虑如何布设公共标靶，以方便后期数据配准和拼接。如点云数据需要统一到国家或地方坐标系，应与国家或地方坐标系中的已知点进行联测。

若选择基于点云数据自动拼接的数据采集方法，则测站布设相对要灵活一些。由于该方法是利用相邻测站获取的点云重叠区域内的公共特征点进行后期数据配准和拼接，因此，测站布设时只需要保证相邻测站间至少有30%的重叠区域即可，无需使用标靶。当然，若需要将点云数据统一到国家或地方坐标系中时，依然应与国家或地方坐标系中的已知点进行联测。

4 实 例

4.1 普通建筑立面扫描方案设计和外业数据采集

普通建筑区别于古建筑，是提供给人们进行生产生活或其它活动的空间场所。利用地面三维激光扫描仪对普通建筑立面进行扫描，主要目的是建立建筑物三维模型，为数字城市建设服务。本文以我校教学大楼为例，说明普通建筑立面的扫描方案设计和外业数据采集工作。

4.1.1 扫描方案设计

教学大楼位于我校安宁校区中心位置，共5部分，包括1个主楼和4个附楼，主楼长约 100 m、宽约 35 m、高约 50 m；附楼长约 40 m，宽约 22 m，高约 15 m。经现场踏勘，大楼四周地势相对平坦，前后有校内主干道、篮球场、足球场、喷泉和闻道广场等，均为水泥和沥青路面，视野比较开阔，设站条件良好；左右两侧为绿化景观及小路并通向校内道路，树多、大且茂密，设站相对受限。教学大楼外观(东南向)如图1所示。

本次扫描目的是为了更精确地获得大楼的三维空间坐标，构建三维模型，以便将成果纳入1987昆明坐标系中。根据现场踏勘情况，结合扫描目的和精度要求以及Topcon GLS-1500三维激光扫描仪的功能，选择基于“测站点+后视点”的数据采集方法。

1)测量基准和控制测量。此次扫描采用校区内的2个高等级控制点(1987昆明坐标系，1985国家高程基准)作为起算点，以保证后期将教学大楼的三维模型纳入地方坐标系中。

布设控制网时，平面控制采用全站仪或RTK进行导线测量，高程控制采用四等水准测量，建立测区的基础控制，为后续数据采集提供控制点坐标。

2)扫描方案。制订扫描方案时，综合考虑以下几个主要因素：教学大楼的建筑结构、外物遮挡和自遮挡、扫描仪的最大仰俯角和最大扫描距离。由于教学大楼左右两侧外物遮挡较多，且自身建筑结构复杂，存在自遮挡现象，大楼外墙立面玻璃材料居多，容易发生镜面反射，针对这些问题考虑采用多站多角度扫描，尽量在待扫描立面的正前方安置仪器，确保点云数据的完整性和精度。本次扫描方案共布设16个测站、8个标靶，测站和标靶坐标提前由控制测量完成。教学大楼扫描方案如图2所示。图2中，S代表测站位置，B代表标靶位置，A代表扫描立面。数字标注如“85(100)”，分别表示测站点到扫描立面的平距为 85 m，外业数据采集时扫描距离设置为 100 m。

部分测站描述如下。

测站S1对A1面进行扫描，标靶点B1，设站距离 85 m，扫描距离 100 m。

测站S2对A2、 A3面进行扫描，标靶点B1，设站距离 55 m，扫描距离 57 m。

测站S4、S5对教学大楼的A6面进行扫描。因A6面下部树木遮挡严重，远距离设站只能扫描上部，下部扫描只能绕过遮挡树木近距离设站完成，因此，测站S4负责A6上部扫描，S5负责A6下部扫描，标靶点均为B3，设站距离分别是 85 m 和 25 m，扫描距离分别是 100 m 和 30 m。此外，测站S5还担负扫描A5和A8 2个面的任务，具体参数如图2所示。

同样，测站S9、S10对A12面进行扫描。因教学大楼高约 50 m，若近距离设站，扫描仪的最大仰角无法到达顶部，建筑立面扫描不完整；若远距离设站，树木又会对待扫描面造成遮挡，因此，考虑远距离布设测站S9用于扫描A12面的上部，近距离布设测站S10用于扫描A12面的下部，标靶点均为B5，设站距离和扫描距离如图2所示。

需要说明，教学大楼楼顶的A22面无法采用地面三维激光扫描仪实施扫描作业，可利用无人机搭载三维激光扫描系统完成。

4.1.2 外业数据采集

扫描方案制订以后，即可实施外业数据采集工作。此次扫描中，各测站采样分辨率水平和竖直方向均为 3 cm。以一个测站上的扫描作业为例，说明具体的扫描方法。

1) 安置仪器。将三维激光扫描仪和标靶分别安置在相应控制点上，对中整平。

2) 标靶扫描。扫描仪开机自检完成后，依次新建工程、新建测站、输入测站点名称和坐标以及靶标点名称和坐标，瞄准标靶实施扫描。扫描成功后，保存定向成果。

3) 立面扫描。标靶扫描完成后，转向待扫描立面，设置扫描范围、扫描距离和扫描分辨率，实施扫描。

一测站扫描完成后，搬站，重复步骤1)～3)，直至全部扫描作业完成。

4.2 景观小品扫描方案设计和外业数据采集

景观小品一般体量较小、形状不规则。利用地面三维激光扫描仪对景观小品进行扫描，主要还是为整体三维景观建模服务，增加美观性，起到点睛作用。本文以我校教学主楼前闻道广场的景观石为例，说明不规则物体的扫描方案设计和数据采集工作。

4.2.1 扫描方案设计

闻道广场景观石位于教学主楼闻道广场喷泉水池上方，长约 2 m、宽约 0.3 m、高约 1.5 m。本次扫描目的是为了构建三维模型，不需要真实坐标。经现场踏勘，景观石四周视野比较开阔，地势平坦且均为水泥和沥青路面，除南向距离水池栏杆较近、设站受限外，其它方向均无遮挡，可以灵活设站。闻道广场景观石全景如图3所示。

图3 闻道广场景观石Fig.3 Landscape stone in Wen Dao Square

根据景观石的结构特征，以及扫描目的和精度要求，结合其周边环境和Topcon GLS-1500三维激光扫描仪的功能，选择基于标靶的数据采集方法。由于景观石宽(厚度)约 0.3 m，不必单独设站扫描，可以选择将其纳入某一个大面积主立面中，共同实施扫描。本次扫描方案共布设2个测站、3个标靶，每个测站均扫描1大1小2个立面，以保证景观石点云数据的完整性。此外，现场踏勘确定测站位置时，除考虑扫描距离外，还需要特别考虑扫描仪的竖直角度范围，以保证在测站点安置扫描仪能够通过扫描装置看到景观石的最高和最低处，确保实际扫描范围和计划扫描区域一致。测站和标靶点需要在地面上做好临时标志。闻道广场景观石扫描方案如图4所示，测站1扫描1、22个立面，测站2扫描3、42个立面，测站1和测站2均与3个标靶通视良好。

图4 闻道广场景观石扫描方案Fig.4 Scanning scheme of landscape stone in Wen Dao square

4.2.2 外业数据采集

扫描方案制订好以后，即可选择合适的时间、天气实施外业数据采集。出发前，施测者务必检查扫描设备及配件是否准备齐全，人员是否到位。到达测区现场后，按照提前制订的扫描方案，找到地面上的临时标志，安置扫描仪和标靶，注意保证3个标靶之间应有高度差。主要扫描步骤如下。

1)仪器安置。将三维激光扫描仪和标靶分别安置在测站1、标靶1、标靶2、标靶3处，对中整平。

2)标靶扫描。扫描仪开机自检完成后，依次新建工程、新建测站。采用基于标靶的数据采集方法不需要输入测站坐标和靶标坐标，只需依次扫描3个标靶。

3)景观石扫描。标靶扫描完成后，转向景观石待扫描立面，设置扫描范围、扫描距离和扫描分辨率，实施扫描。各测站采样分辨率水平和竖直方向均为 5 mm。

一测站扫描完成后，搬站，重复步骤1)～3)，直至全部扫描作业完成。

5 外业数据采集注意事项

Topcon GLS-1500三维激光扫描仪通过瞄准待扫描目标的左上角和右下角完成扫描范围设置。由于仪器视角不同于人的观察视角，因此施测者在设置扫描范围的左上、右下时必须考虑立体几何构图的“近高远低”现象，确保瞄准的左上、右下角点是“最高”和“最低”点，以保证设置的扫描范围能够将待扫描目标完全包含在内，没有遗漏。以规则建筑立面为例说明，如图5所示，分3种情况讨论。

图5 测站与待扫描立面位置关系图Fig.5 The relative position of station and scanning facade

图中，A、B、C、D、F分别是待扫描建筑立面的顶端左上角、顶端正中位置、顶端右上角、底端左下角、底端右下角处的点。

1)测站位于待扫描立面的正前方，如图5(a)所示。根据“近高远低”原理，从扫描仪视角出发，B点是物体顶部离扫描仪最近的点，是待扫描立面的最高点。因此，在设置扫描范围的左上角时，应先瞄准B点，再平移至左上角。这样操作后，施测者会发现，平移后的扫描仪瞄准的左上角位置实际上比A点位置要高出许多。当设置扫描范围的右下角时，由于D、F均为最低点，故直接将扫描仪瞄准F点即可。笔者做过试验，若不考虑“近高远低”现象，直接将扫描范围的左上角设置在A点处，则待扫描建筑立面的点云数据顶部会出现一个比较有规律的弧形缺口，造成点云数据缺失，如图6所示。

图6 未考虑“近高远低”造成的点云数据缺失 Fig.6 Defective data caused by “near high and far low” is not considered in point cloud

2)测站未安置在待扫描立面的正前方，如图5(b)所示。根据“近高远低”原理，从扫描仪视角出发，A点是物体顶部离扫描仪最近的点，F点是物体底部离扫描仪最远的点，二者分别是待扫描立面的最高点和最低点。因此，设置扫描范围的左上、右下时，直接瞄准A点、F点即可。

3)测站未安置在待扫描立面的正前方，如图5(c)所示。这种情况虽然类似于图5(b)，但扫描仪安置的位置不同。图5(c)中，从扫描仪视角出发，C、D两点分别是物体顶部和底部距离扫描仪最近和最远的点，但二者却不是待扫描立面的左上角和右下角。设置扫描范围时，依然需要先瞄准C点再平移至A点，瞄准D点再平移至F点。

6 结 语

扫描方案设计和外业数据采集是三维激光扫描仪顺利开展扫描作业，生产合格成果，并成功应用于行业的基础和保障。本文从地面三维激光扫描仪的外业数据采集方法入手，介绍了制订扫描方案的目的和内容，并结合Topcon GLS-1500地面式三维激光扫描仪，通过2种不同类型的扫描对象实例，详细论述了扫描方案制订和外业数据采集方法，并对外业数据采集过程中需要注意的关键问题作了阐述。结果表明，综合考虑以上因素后，获取的点云数据在完整性、拼接精度、空间参考一致性等方面可靠性均有增加。