近年来, 地面三维激光扫描技术在测绘、土木工程、逆向工程、三维城市建模、文物保护等领域的应用越来越广。地面三维激光扫描仪 (TLS) 的原理是从多个角度对扫描对象进行扫描, 将拥有不同坐标系的多视角下扫描的三维点云数据进行拼接, 转换到统一坐标系下, 最终得到物体表面完整的形状信息。点云拼接是点云预处理的重要环节, 其本质就是在几组需要拼接的点云数据中找到恰当的映射关系, 通过坐标变换完成迭代求解。

目前, 点云拼接可以用4种方法, 即数据采集时在已知坐标的测站上进行、用点云匹配的方法将点云转换到统一坐标系中、使用标靶将数据转换到统一坐标系中以及综合使用上述3种方法。第1种方法属于直接进行地理坐标转换, 需要在测量前准确测量测站点的坐标, 并且要求仪器具有精确整平、定向和对中的功能;第2种方法是利用扫描对象自身的特征点, 如窗户的边线或角点等, 作为拉接时的连接点;前2种方法对仪器自身性能要求较高, 仅适用于精度要求低的项目。第3种方法是在相邻的2个扫描测站区域的公共部分粘贴3个或3个以上专用靶标进行扫描, 按照摄影测量影像匹配的原理, 对相邻区域中的统一靶标组成的同名点对, 计算出点云拼接参数, 完成相邻点云的拼接, 从而实现对扫描对象的高精度扫描。而不论采用上述何种方法, 点云拼接依然存在误差, 因此对于第3种方法, 相邻2个扫描测站公共区域设置的共用靶标的识别精度则成为点云拼接精度控制的关键。

本文运用地面三维激光扫描技术对我国西昌与海南发射场3个发射工位的导流槽结构进行扫描测量, 结合各导流槽的结构特点, 通过合理布置测站点, 优化公共标靶点的使用准则, 提高扫描仪对标靶点的识别精度, 保证点云数据拼接精度, 获得导流槽高精度的点云数据。

我国西昌发射场2号发射工位导流槽工程, 海南文昌发射场1号和2号发射工位导流槽工程, 均为地下船形构筑物, 导流槽底板、顶板及侧壁内侧均设耐火混凝土衬层 (见图1) 。其中, 西昌发射场2号发射工位导流槽为单面导流。海南文昌发射场1号发射工位导流槽内部居中位置布置有导流锥, 导流锥垂直于导流尾焰方向两侧墙面为双曲面形式, 沿导流槽尾焰导流方向上, 布置有2道立墙, 将导流槽分为4个导流舱室;2号发射工位导流槽居中位置布置有导流锥, 导游锥垂直于导流尾焰方向两侧墙面为双曲面形式, 沿导流槽尾焰导流方向上, 导流槽为2个导流舱室。

1) 从结构分析, 2个发射场3个发射工位的导流槽均包含坡面结构, 使得仪器与坡面间的测量角度难以实现垂直测量, 给扫描站点的位置选择带来难度, 测站点选择不合理, 从而影响坡面测量精度。

2) 文昌发射场2个导流槽中部均有1个导流锥, 对其扫描的难点在于锥顶部的测量, 其次应重点考虑测量中用最少的测量站点将导流锥结构扫描全面, 减少后期拼站造成的拼接误差。

3) 文昌发射场1号导流槽沿尾焰导流方向存在2个立墙, 将整个导流槽分为4个舱室, 是典型的隔断式大空间结构, 测量中要兼顾导流锥结构的测量, 应综合考虑上述2个因素给测量布站和标靶位置选择带来的难度, 同时应考虑尽量用较少的站点实现对结构的无缝扫描。

4) 文昌发射场2个导流槽长度方向尺寸均超过100m, 同时导流槽沿垂直于尾焰导流方向的侧墙为双曲面, 扫描布站与设置标靶点时应避免出现扫描盲区。

扫描作业前, 首先对导流槽整体结构形式进行了现场观察。由于西昌2号发射工位导流槽的尺寸较小, 因此制定了以标靶球为公共靶点, 3个站点扫描的测量方案。现场作业及后期数据拼接处理后的结果显示, 拼接精度达到设定精度要求。

考虑到文昌2个发射工位导流槽尺寸较大并且拥有曲面和隔断的形状特点, 初步制定了以标靶纸为主、标靶球为辅、8个站点的扫描测量方案。并以此对文昌发射工位1号导流槽进行了现场扫描测量, 测量结束后对数据进行分析时, 发现以下问题。

1) 标靶纸与扫描站点的距离及角度设置不当, 识别精度不高导致无法数据拼接或拼接后误差过大。

2) 标靶球与扫描站点的距离设置过远, 识别精度不高, 导致数据拼接误差过大。

3) 站点数量及位置设置不当, 并且以标靶纸为主、标靶球为辅的测量原则不正确, 导致扫描数据质量不高。

在完成对1号导流槽的扫描及数据分析之后, 及时对测量方案进行了改进, 将以“标靶纸为主, 标靶球为辅, 8个站点”的扫描测量方案修改为“以标靶球为主, 标靶纸为辅, 8个站点”的扫描测量方案, 以此完成了对2号导流槽的扫描测量, 数据分析结果达到了设定精度要求。考虑到1号导流槽的结构尺寸及形状特点, 进一步对测量方案进行了修改, 将8个站点改为12个站点, 并重新对1号导流槽进行了扫描, 数据分析结果得到了显著优化并满足了设定的精度要求。图2给出了3个导流槽扫描路线与测站位置。

在对3个导流槽进行扫描测量后, 采用LRC点云处理软件对所获得的导流槽点云数据进行拼接, 系统默认拼接精度控制误差为7mm。3个导流槽点云数据拼接误差如表1所示。

从表中可以看出, 3个导流槽的最大误差均在默认控制误差范围内;通过仔细对照拼接结果发现, 西昌2号导流槽与文昌2号导流槽最大误差均发生在第1站与第2站的拼接过程中, 产生这种情况的原因在于第1站与第2站的公共标靶球设置不当, 西昌导流槽扫描测量时, 标靶球放置于导流槽口及楼梯处, 与第2站的仪器测站点位距离过大, 造成第2站识别的标靶球精度下降;同样, 在对文昌2号导流槽进行扫描测量时, 第1站与第2站间的公共标靶球放置于导流槽第1与第2坡面处, 此处距离2个测站点位均较远, 因此造成两站间拼接误差较大。

在对文昌1号导流槽进行扫描时, 已将测量方案修改为“以标靶球为主, 标靶纸为辅, 12个测站”, 对坡面的扫描变为2站, 缩小了标靶球与测量站点间的距离, 提高了拼接的精度, 平均误差、标准误差和最大误差均比西昌2号导流槽、文昌2号导流槽数据有所提高。验证了修改后测量方案的有效性。

在对点云数据拼接处理完成后, 利用相关软件将扫描时外围点云数据清除, 得到了3个导流槽点云模型, 如图3所示。

通过此次对西昌和文昌发射场导流槽现场三维激光扫描作业, 发现了实际操作中影响点云拼接精度的问题。对于类似导流槽这种大空间并带有斜坡面以及文昌发射场1号导流槽中间带有隔断舱室的结构在现场测量之前应在充分认识所使用的三维激光扫描仪器性能的基础上, 制定详细的现场测量方案, 并在测量中及时分析数据的可靠性及精度等指标, 发现问题后, 应对测量方案进行调整, 使得最终的测量结果满足相关技术要求。

在3个导流槽测量实践基础上, 总结出以下测量原则, 使得点云数据的精度得到一定程度的控制, 为后续测量工作提供技术参考, 提高测量工作效率。

1) 观察全局

在对结构进行测量作业前, 技术人员应对所扫描对象进行现场勘察, 了解结构尺寸、结构特点以及测量的重点与难点。在对所用仪器性能与精度详细了解的基础上, 制定扫描所需要的站点数和位置以及标靶纸和标靶球布放的位置。上述工作完成后, 技术人员应现场亲自遍历所有站点, 并进行人工360°观察, 确认整个扫描无盲区、标靶点设置合理有效, 发现问题后及时进行调整。

2) 勤用靶球

在对文昌发射场1号导流槽进行第1次三维激光扫描作业及数据分析后, 发现三维激光扫描仪对标靶球的识别精度要比标靶纸的识别精度高。原因在于标靶球在测量过程中, 扫描数据始终保持为一定面积的球面, 影响其精度的主要因素是测站点与标靶球之间的距离, 而标靶纸为平面, 不仅受到与测站点距离的影响, 还受到标靶纸与测站点之间角度的影响, 并且两因素间存在一定耦合关系, 精度控制难度大。因此, 在以后的现场测量中, 应尽量多使用标靶球, 或以标靶球为主, 设置一定的标靶纸作为辅助标靶点。

3) 垂直靶纸

如上述原则所述, 标靶纸为平面, 不仅受到与测站点距离的影响, 还和标靶纸与测站点之间的角度有关, 并且两因素间存在一定耦合关系, 精度控制难度大。因此, 在使用标靶纸时, 应尽量使测站点与标靶纸之间保持垂直, 以提高对标靶纸的识别精度。

4) 控制距离

现场测量实践表明, 所使用的三维激光扫描仪对标靶纸与标靶球的有效识别距离, 即扫描仪所在站点与标靶点中心的距离, 应分别控制在20m和25m范围内;同时, 标靶纸中心法向轴线与扫描仪站点到标靶纸中心连线形成的平面角度不应超过30°。

5) 冗余靶点

三维激光扫描仪进行大空间扫描的原理是通过多站扫描, 再利用站与站之间设置的公共点即标靶点, 将扫描的数据进行拼接最终形成全部点云数据。这就要求两站测量之间必须设置不少于3个公共标靶点。实际测量中, 两站的扫描数据对于公共标靶点的测量精度存在差异, 因此在设置公共标靶点时, 应在满足3个公共点的基础上, 冗余布置1～2个备用公共标靶点, 并且备用标靶点应尽量满足上述“勤用靶球、垂直靶纸、控制距离”的原则, 从而在数据拼接过程中避免个别基本公共点识别精度无法保证拼接精度的问题。

本文运用地面三维激光扫描技术对我国西昌与海南发射场3个发射工位的导流槽结构进行扫描测量。结合各导流槽的结构特点, 根据现场操作经验, 总结出“观察全局, 勤用靶球, 垂直靶纸, 控制距离, 冗余靶点”的测量准则, 并建议标靶纸、标靶球与仪器间的距离分别控制在在20m和25m范围内, 标靶纸中心法向轴线与扫描仪站点到标靶纸中心连线形成的平面角度不应超过30°。通过合理布置测站点, 优化公共标靶点的使用准则, 提高了扫描仪对标靶点的识别精度, 保证了点云数据拼接精度, 获得了导流槽高精度的点云数据。运用上述原则对文昌1号导流槽进行扫描作业, 点云数据拼接结果显示, 拼接误差明显减小, 保证了点云数据的高精度要求。此次获得的导流槽高精度点云数据可用于发射工位导流槽用耐火材料烧蚀率及耐火混凝土施工工艺和质量控制等的研究。