三維激光掃描儀后方交會建站的研究與運用

王昊

【摘? 要】作為一種空間信息數據獲取的新技術手段，三維激光掃描測量技術與傳統測繪手段相比具有無可比擬的優勢。目前，三維激光掃描測量技術在工程測量中的應用越來越廣泛，三維激光掃描儀的使用頻率也在不斷增加。但在實際運用時，受外業環境遮蔽等因素影響對掃描儀的設站靈活程度也有了更大的考驗。

【關鍵詞】三維激光掃描儀;后方交會方法;應用

引言

后方交會法首先出現于測繪地形圖工作中，測量上稱為“三點題”，是用圖解法作為加密圖根點之用。后來隨著解析法、公式法的出現，在工程建設控制測量中也經常被采用。利用后方交會可以實現自由設站，應用范圍之廣說明了此法的實用性很強。

如上所示為全站儀的后方交會方法，將儀器架在 P 點上，將望遠鏡對準 A 點，輸入 A 點的坐標，在 A 點立棱鏡，測出 P 點至 A 的平距，然后將望遠鏡對準 B 點，輸入 B 點的坐標，在 B 點立棱鏡，測出 P點至 B 的平距，這時候全站儀就能計算出 P 點的坐標。既然全站儀可以通過兩個已知點位置確認自身方位，那三維激光掃描儀是否可以運用此原理來確定被測物體方位，從而實現拼接呢？

在三維激光掃描的作業過程中，往往我們對于兩站間的拼接就需要三張標靶，這似乎已經成為基本常識了，那有沒有其它的方式可以減少張貼標靶的數量呢？本文將會運用Trimble Realworks點云處理軟件進行掃描儀后方交會建站的一般研究。其優勢不僅可以較少的張貼標靶，消除累積誤差，提高點云精度，并對改變傳統拼站模式提供了其它可能。

1.測試

首先在位于項目部的北側主樓墻和南側食堂墻面上放置了兩張標靶。經測算，兩張標靶相距73.8m。隨后在項目部的院子中對不同位置放置三維激光掃描儀三次，獲取3站掃描數據。

將所測得的點云加載后進入后方交會建站頁面，會在第一步顯示所在測站即正在進行測站的設置過程，在第二步中輸入儀器高并記錄在測站測試中。傳統后方交會方式中除被測物坐標外，還需量取與被測物的平距，但在三維激光掃描領域可以運用點云數據測量進行代替。

輸入儀器高后即完成了第二步，接下來第三步為提取目標。此時我們要做的就是將所需要拼接的測站內標靶進行提取，值得注意的是一定要分清楚并備注每一張標靶的位置，確保在定義后視時符合邏輯關系，才能將測站進行拼接，這一點至關重要。

例如我對第一站的兩張標靶分別標注為“主樓1”及“食堂1”，將第二站標注為“主樓2”及“食堂2”，將第三站標注為“主樓3”及“食堂3“，并符合以下表中規則進行第四步的標靶選定。

這個規律類似水準測量中的前后視規律，以此類推進行站與站的拼接，得到完整的點云成果，并可以看到在其殘差僅為2.51mm。并對其點云成果進行切片對比，沒有出現點云分層的現象，說明了此種方式常規作業的可能性。

2.問題與設想

盡管在標靶數量上已做到了兩張標靶，并且拼站效果喜人，但這只是限于一定有效空間內的掃描作業，即重復環境拼接中減少了一張標靶紙。往往我們在面對很多長距離線性掃描時因為要面臨傳遞還是要貼不少的標靶，只是如今標靶數量減少了三分之一而已。果真如此嗎，在一定空間也好，長距離空間也罷，其區別在于前者標靶傳遞方式多樣且穩定，而后者的標靶傳遞方式單一且易于積累誤差，如果可以在后方交會建站的基礎上讓標靶坐標的傳遞靈活起來，才是完美的解決方案。

在后方交會建站頁面中輸入儀器高這個問題上，也可以選擇不輸入或為0，原因為后方交會的兩個標靶以及掃描儀所一直保持的垂直姿態，已經構成交會的必要條件。同理，那我們在將點云數據套入道控制點系統時是否有兩個控制點就足夠了？經過測試，答案是允許的。

兩張標靶進行坐標轉換就可以讓其傳遞不再受其它測站標靶的干擾，并依靠這兩張標靶進行后方交會建站，使標靶傳遞方式更多樣（兩站內直接后方交會，兩站外分組后進行坐標拖移，整體數據可以在Realworks軟件中進行精調），并由于只受坐標誤差影響從而消除了累積誤差。并且，任意切換掃描位置，不用考慮任何拼接不上的情況，也不用因為一些單純為了連接而掃不需要的重復數據造成多余勞動量反而降低了精度的尷尬情況。

從上圖中我們可以很直觀的看到運用后方交會建站時連接性測站數和標靶數都在減少。下面我們以實例來闡述其優點。

3.運用

3.1準備工作

因后方交會建站的便利性，非常適合運用在大面積掃描方向，例如本次在機場的飛行區地塊掃描。全程將使用兩張傳統標靶紙貼在對中桿上使其可以重復移動。并使用天寶SPS930全站儀對其進行測量并獲取坐標，現場基準使用項目控制點，對其進行校驗誤差在5毫米以內。

3.2實施過程

飛行區掃描儀建站示意

結合現場進行合理選點，并使用120m有效測距的天寶TX8掃描儀進行作業。本次標靶間隔選定為60m，結合飛行區地塊大致橫向長300m，共將標靶放置6次，兩兩為一組共三組。開始掃描時，只需要保證掃描儀可以看到每組的兩張標靶，并在一旁的全站儀及時進行標靶打點就可以了。內業處理時，在組內運用后方交會建站功能保證一組數據的準確性，組與組之間通過全站儀打點進行控制點坐標和點云的兩兩匹配。

3.3調整過程

盡管現在可以基本滿足點云拼接，但在內業處理時經常發現由于距離和角度的不理想，標靶識別不在中心的情況，這就是出現點云重影或分層的重要因素。故此，需要進行平面調整使兩個標靶識別中心重疊在一起，這里可以運用精細化配準進行自動強制擬合，也可以進行手動調整。

兩個標靶進行目標配準時，往往會出現其中一個或兩個標靶殘差值都過大的情況。這時，我們可以參照全站儀控制點的位置，判斷出具體殘差較大的標靶，并向其相應方向移動。在出現殘差值的視圖下拖動平面光標，結合變動的殘差值進行動態調整，使兩個標靶殘值減到最小，即被認為是最正確的值。在完成此系列的處理后得到的完整的點云數據，就可以進行后續的點云成果運用了，本次使用后方交會建站的方法測得了較為準確的飛行區地塊面積。

4.結語

綜上所述，將三維激光掃描技術與后方交會建站原理進行結合可以有以下特點：（1）兩張標靶配準時如果殘差較大可以參考坐標點進行有目的性的動態調整;（2）兩張標靶進行后方交會建站即可完成點云配準，外業工作量減少且成果依舊可靠;（3）兩張標靶形成的獨立系統內可進行坐標點的平移旋轉，此種方式可消除多站拼接帶來的累計誤差。

參考文獻

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