基于激光点云数据绘制城市地下民防工程平面图

高泽远，谢宏全，王鹏，2，钱鑫，毛斌，孟琪，汪子泃

(1.江苏海洋大学，海洋技术与测绘学院，江苏 连云港 222005； 2.南通蓝图测绘有限公司，江苏 南通 226300)

1 引 言

随着城市化进程的发展，城市地下空间的开发利用越来越成为热点话题，地下空间开发大有可为。与地上空间不同的是地下空间光照不足、通视条件差、空间控制网不易于布设等，使得城市地下空间普查是一项比较复杂的测量任务。常规的勘测方法是使用全站仪进行打点测量，但是效率较低，并且采集信息有限[1]。20世纪90年代出现的新型获取空间数据及信息的地面三维激光扫描技术具有高速、实时、精度高、工作环境要求相对低及全天候工作等特点。同时三维激光扫描仪能够大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据，可以快速、大量地采集空间点位信息[2]。目前三维激光扫描技术正广泛应用于地下空间测量中。近年来一些学者对基于点云数据绘制地下空间平面图进行了相关方面的研究，同时也取得了一些研究成果。主要有：马雪萍等[3]使用FARO Focus3D X330获取地下人防工程的点云数据，使用CAD 2014生成平面图；储立新等[4]利用天宝TX8三维激光扫描仪获取武进区某地下空间的点云数据，并根据点云数据在CAD中绘制了地下空间平面图；许洪林等[5]通过江阴市地下空间调查项目设计并验证了一种基于三维激光扫描技术的地下空间标高点采集方法，能够有效提高地下空间内业制图的作业效率；陈岳涛等[6]利用背负式移动激光扫描系统获取地下停车场的点云数据，使用Cyclone软件对点云模型制作横切切片图，并使用CAD绘制了地形图。

李效超等[7]利用手持式移动三维激光扫描仪针对地下空间普查进行了应用研究，点云精度能够满足城市地下空间普查图件的绘制要求。

2 激光点云数据获取与预处理

2.1 激光点云数据获取

毓秀花园小区位于江苏海洋大学苍梧校区二号门北行 1 km处，主要为江苏海洋大学教师居住，地下民防工程其部分场景如图1所示。

图1 地下民防工程部分场景

图2 导线布设图

为了保证获取的点云数据精度满足要求，经过实地勘察，采用全站仪导线法，并确定了本次的导线布设路线，绘制了草图(如图2所示)，设置13个测站点，同时各个点之间相互通视。其中，靶标布设主要考虑复杂点位处的坐标转换，在布置靶标时应保证能被良好识别，不被物体遮挡且标靶不得布设于一条直线上，同时保持标靶的稳定性和一定的高度差。本次测量步骤包括：

(1)以a点为后视点，2点为前视点，在1处架设仪器，对中整平，然后量取仪器高。在a点架设标靶球，作为后视点。

(2)正式扫描前进行预扫描，低分辨率进行，测试仪器。

(3)预扫描完成后，对结果进行观察看是否符合要求。若符合则开始正式扫描；不符合，则检查仪器，重新扫描测试。为了扫描过程的统一及满足后期绘制 1∶100平面图的要求选择全景扫描和中等分辨率进行扫描。

(4)第一个设站点扫描完成后进行迁站，将三维激光扫描仪迁站至2号点，1，3号点放置标靶球，并对仪器进行对中整平及参数设置，进行扫描。

(5)扫描完成后，迁站，重复上一步骤完成扫描。共架设13站，外业数据的采集工作耗时将近 4 h，获取到包括测区全部区域在内的约1亿个三维点。

2.2 点云数据预处理

点云数据预处理步骤一般包括点云拼接、点云去噪、点云统一化。点云拼接是利用标靶将多站扫描的点云拼接成一个整体，使之具有相同的空间参考或控制网坐标系。对于无标靶或标靶不齐全的点云，可采用同名点方式进行拼接[7]。此次测量采用的是全站仪导线法，此方法可适应于较大范围的扫描工程，导线形式布设比较灵活，操作方法比较简单，拼接精度高。按照此方法将数据导入Cyclone软件中，自动拼接数据。

在使用三维激光扫描仪采集激光点云数据过程中，由于地面三维激光扫描仪的精度为毫米级，超高的分辨率使得点云数据的数据量达到GB甚至TB级；同时使用三维激光扫描仪采集点云数据时会进行360°扫描，获得多次重叠数据，导致测区点云密度分布不均匀。过多的数据以及过高的密度会导致我们对点云数据的计算速度以及点云数据的美观，因此为了提高点云数据的精度，需要在Cyclone中打开拼接后的点云数据，选择去噪操作，一一去除地下空间中停留的车辆、人员、杂物，去噪完成后的点云图像如图3所示。

图3 去噪后的部分点云图像

点云合并也叫点云统一化，也是对点云进行优化的一种处理方式，目的是将整个视图中的多站点云统一处理为单一的合并点云，统一化处理完成后，点云的浏览、选择等操作都会在原有的基础上变得更加流畅[8]。点云合并可以选择Cyclone中的Unify Clouds，设置平均点云空间为 2 cm。

3 平面图绘制

平面图的绘制是测绘工作中最重要的一步，一般来说平面图绘制的结果决定着测绘工作的成功与失败。本文采用上海华测导航技术股份有限公司的CoSurvey2016软件进行点云数据成图处理。

具体的操作步骤如下：

(1)将处理后的点云数据以pts文件类型输出，利用Autodesk ReCap 2016软件将格式转化为rcp文件格式。

(2)将转化后的点云数据导入CoSurvey2016软件中，使用高程渲染命令以提高点云图像清晰度从而能够准确地发现点云图像的边缘来减小误差。

(3)点击工具栏的多点一般房屋，选择一个边缘的点作为初始点沿着边缘作出外围轮廓，曲线部分选择圆弧并做平滑操作。

(4)因为此次扫描的地下空间承重柱为四方形石柱，故点击依比例支柱.墩方形来绘制地下空间内的承重柱。

(5)最后将各种地图元素如框架、比例尺、指北针添加到我们绘制的平面图中。

(6)平面图绘制完成后，选择CoSurvey2016的打印选项来导出PDF格式的平面图，选择无点云图像的平面图，效果图如图4所示。

图4 绘制完成的平面图

4 精度评定

为了验证绘制完成的平面图的精度。利用型号为GLM7000的BOSCH激光测距仪，选定6条边，各位置如图5所示，分别为墙面长度、柱间距离、柱边长、出口距离、柱与墙面距离等，定义编号A、B、C、D、E、F，同时为了提高测量精度，每个测量长度测量三次取平均值以此来减小误差。

图5 平面图6边位置距离标注

地下民防工程实际量测与平面图的部分距离对比 表1

由表1数据分析可得，最大误差为 0.04 m，其余三个误差为 0.01 m，两个误差为零，所以可以认为此次基于激光点云绘制的平面图的数据能够满足精度要求。

5 结 论

基于三维激光点云数据获取地下空间的点云数据，并基于点云数据绘制地下空间平面图是可行的，当然也存在一些问题，如：点云数据量过大；各个软件可处理的文件类型不同；目标物对激光的反射率不同。但是对照传统的测绘方法，可以减少测绘人员的外业工作时间和强度；略去了地下空间光亮不足的缺点；获得高分辨率的点云图像。同时点云数据和绘制成果可以电子存档，为后续的城市规划与建设提供宝贵数据，具有重要的应用价值。