张匡宇; 李仲勤; 郭楠; 张秉红
【期刊名称】《《北京测绘》》
【年(卷),期】2019(033)011
【总页数】4页(P1328-1331)
【关键词】剪式举升机
高速铁路; 点云拼接方法; 三维激光扫描仪; 点云拼接精度 静脉曲张裤子【作 者】张匡宇; 李仲勤; 郭楠; 张秉红
【作者单位】兰州交通大学土木工程学院 甘肃兰州730070; 兰州交通大学测绘与地理信息学院 甘肃兰州730070; 中国铁路太原局集团有限公司朔州工务段 山西朔州036002电磁炒灶
【正文语种】中 文
【中图分类】压缩木耳P258
0 引言
地面三维激光扫描技术(Terrestrial Laser Scanning,TLS)是利用激光测距的原理,通过记录被测物体表面大量密集点的三维坐标信息和反射率,进而快速复建出被测目标的三维模型的一种全自动测量技术[1]。由于TLS的工作原理,大多数情况下遇到一测站扫描不完全目标时,需要在其他测站继续扫描,但每一站的点云数据都是在以本测站扫描仪中心为原点的独立坐标系中存在的,故需要将各站的点云拼接到一个共同的坐标系下。因此,点云拼接是点云数据处理的重要环节,点云拼接的精度直接影响了后续处理技术的质量[2-4]。 依据不同的分类标准,相应的可以得到不同的拼接方法分类。按照数据采集原理可分为:(1)将不同视角点云进行精确对齐;(2)扫描过程中导航系统的精确定位[5]。标靶拼接和控制点拼接是对应两种数据采集原理的具体方法。标靶拼接是点云拼接中最常用的方法,这种方法需要在相邻的两测站放置至少3个公共标靶,每测站扫描得到公共标靶的相对三维坐标,然后采用布尔莎七参数模型(B模型)[6]相邻测站点云两两拼接;基于控制点拼接的点云数据采集需要在扫描过程中完成定位、定向,其拼接过程是将每一测站的点云数据共同解算到统一坐标系下[1,6]。在实际工程中,由于不同的工程环境与特点,TLS不同的拼接方法呈现出不同精度与特征[7-10]。 本研究围绕点云拼接精度问题,设计和实施了标靶拼接模式和控制点拼接模式两种实验方案,通过地面三维激光扫描仪扫描某段高速铁路,比较了两种模式下的点云拼接精度和扫描内外业的效率等方面,以验证控制点拼接模式在铁路点云采集和拼接中的实用性。
1 点云拼接原理
1.1 标靶拼接原理
相邻两个测站的点云拼接到一起,这就需要对一组点云进行坐标转换。点云空间直角坐标系坐标转换采用布尔莎七参数模型,七个参数分别是三个旋转参数(α、β、γ),三个平移参数(X0、Y0、Z0)和一个缩放参数m,点云一般在同一仪器中测得,所以缩放参数m=1。因此拼接模型如下:
(1)通风柜风量
式(1)中,(X2、Y2、Z2)为转换后的坐标,(X1、Y1、Z1)为未转换的坐标,R是两个坐标之间的旋转矩阵。6个转换参数可以通过相邻两测站的一些公共标靶和特征点进行解算,至少需要相邻测站有3个公共已知点。当解算点大于3个,可以通过平差求得转换参数。根据上述模型
建立的误差方程[8]为:
(2)
1.2 控制点拼接原理
三维激光扫描仪采集数据的过程中,点云中标靶和每一个点相对于扫描仪中心原点的空间位置是固定不变的。因此,可将点云看做一个整体进行拼接。拼接的实质是将测站坐标系下的点云转换到控制点坐标系下,计算过程类似于导线测量中导线点坐标的计算。设控制点a的平面坐标为(Xa、Ya),控制点b的平面坐标为(Xb、Yb),则ab的方位角αab为:
(3)
设b控制点安置扫描仪测得整体点云为p,则bp的方位角αbp(左角观测)为:
αbp=αab+β-180°
(4)
点云p的坐标可以通过b测站和bp方位角进行解算:
(5)
式(5)中:Zp为点云p的高程,Zb为控制点b的高程,Sbp是测站b到点云p的斜距,θbp是测站b到点云p的竖直角。点云p作为一个整体通过导线计算就归算到了控制点所在的坐标系中。由于已知控制点都是在同一坐标下进行测量得到的,因此各站点云数据通过拼接操作后叠加在一起,就形成了统一的整体数据。
接种棒2 不同扫描方法
2.1 测区与实验器材
本次实验所扫描的高速铁路位于兰州西站附近,扫描长度约100 m,双线,是无砟轨道,测区整体通视良好,有个别遮挡物。本次实验使用的是Z+F5010C地面三维激光扫描仪,其主要参数如下:测程:0.3 m～187.3 m;分辨率0.1 mm;线性误差1 mm;垂直精度0.07 rms;水平精度0.07 rms;激光对中器精度0.5 mm/1 m;垂直视场角320°;水平视场角360°;最高扫描速度为100万/秒。导线测量采用的是LeicaTS30型全站仪,其测距精度为0.6 mm+1 ppm,测角精度为1″。
2.2 标靶拼接的扫描方法
在铁道上和旁边布设标靶,扫描仪距离标靶大约15 m左右,相邻两侧站的重叠区的标靶数量为4个(4个标靶拼接精度最高[11]),标靶位置高低错落,相邻两侧站的重叠率在30%左右,同时获取和记录点云数据重叠区域内的地物特征点,以便进行后续数据拼接处理;其次对扫描仪进行整平和参数设置,分辨率设为high(4级),水平角设为0°～180°20′,竖直角设为20°～340°,完成设置进行扫描。此后每一测站扫描工作与第一测站相似,直至整个扫描工作全部完成,整个扫描工作共设有8测站。
2.3 控制点拼接的扫描方法
预先在铁道四周均匀布设8个控制点,设P1的坐标为(0,0,0),后视某点定北方向,成立独立坐标系。用全站仪导线测量的方式测得控制点的精确坐标,内业对导线进行平差。控制点布设如图1所示。
图1 控制点布设示意图
平差后得到各控制点坐标,控制点坐标如表1所示。
表1 控制点坐标点号坐标X/mY/mZ/mP10 0 0 P20.015 815.014 8-0.002 3P31.184 136.0
31 80.009 1P42.125 760.015 20.013 4P59.392 266.881 70.042 5P69.326 145.189 30.031 7P79.568 231.261 5-0.079 8P810.204 35.672 80.031 1
