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探究在突发事故空间信息分析中三维激光扫描技术的意义
摘要：三维激光扫描技术具有不接触、高密度、高精度和数字化等特点，可实现事故现场全息、全面、快速三维测量，根据事故现场扫描获取的点云，在后处理软件中可对现场三维点云的空间信息进行分析处理，提取有用数据为相关部门后续工作提供决策依据。采用三维激光扫描技术对某地路面塌方突发事故现场进行了应急保障测绘，介绍了其作业流程以及点云分析处理，各个测站的点云采用视觉追踪技术进行自动拼接，并根据拼接后的三维点云计算了塌方直径、面积、深度以及方量等空间信息。
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1、引言
三维激光扫描，又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。通过高速激光扫描测量的方法，可大面积、快速地高分辨率获取被测对象表面的三维坐标数据[1]。根据测距原理的不同，三维激光扫描仪分为相位式和脉冲式两大类，与脉冲式扫描仪相比，相位式扫描仪测程短，但测距精度更高，测量速度更快[2]。根据工作载体的不同，三维激光扫描仪又分为机载、车载、地面静态架站式、手持式以及移动背包等类型[3]，其中地面静态架站式扫描仪需要在作业现场进行多个测站扫描，并拼接成一个整体，相对于其他类型扫描仪，虽然作业效率低，但获取的点云精度高，成果二次应用广泛。
突发事故的发生往往破坏现场的正常秩序，对民众及社会危害大，需要尽快采取措施解救受困民众，恢复现场秩序，找出事故原因。及时采集事故现场空间信息数据提供给相关部门至关重要，根据现场应急保障测绘获取的数据进行决策、分析，可节省救援时间，并可尽可能减少经济损失及社会影响。借助于三维激光扫描技术，可以快速获取事故现场的空间全息数据，并基于全息数据进行后处理，可以获得事故现场的全息三维模型[4]，进而对模型中各个点、线、面的空间数据进行更加细致地分析。采用三维激光扫描仪对某地突发的路面塌陷事故进行现场数据采集，根据获取的三维点云模型进行了细致的事故现场空间信息分析，为应急救援决策及后续工作提供了宝贵的空间数据支撑。
2、三维扫描及基于视觉追踪的点云自动化拼接
为减少事故现场测量时间，尽快提供数据成果，采用基于视觉追踪技术的三维激光扫描仪进行现场数据采集。该类型三维激光扫描仪融合了实景复制技术、视觉追踪技术和智能拼接技术[5]，其扫描速度更快，同时通过自带的高清相机获取测区环境的全景影像，由于其不需要在相邻测站之间架设标靶用于拼接，其作业效率比传统扫描仪效率提高数倍。
为了实现点云自动化拼接，仪器需要记录每个测站的空间信息及搬站过程中的位置信息，并集成多种传感器，包括测高仪、GNSS和IMU模块，基于IMU的倾斜补偿，使扫描无须整平，测距采用WFD波形数字化技术[5]，点位精度高达1mm～2mm，机身内置HDR高清全景相机，通过三维点云合成高清影像，可获得测区现场更加丰富的空间细节。
与传统扫描仪不同，基于视觉追踪的三维激光扫描仪通过内置视觉追踪相机和IMU实时计算两个连续站点间的相对位置[6]，提供精确点云拼接。现场作业无须布设标靶或公共点，内业处理无须人工干预，全自动操作，实现智能化拼接[7]。在作业过程中，视觉追踪相机一方面要对每个测站获取的HDR高清图像里空间特征进行分析，捕捉并锁定空间特征点，另一方面要结合扫描仪自身模型的先验知识，并辅以机身运动状态对空间环境进行识别，并保持对特征点的连续追踪[8]。根据该原理进行连续定位实现自动拼接的其前提是扫描仪搬站过程中空间环境连续变化不大，空间可提取足够多的特征信息[9]。视觉追踪示意图如图1所示，其算法框架流程图如图2所示。
图1视觉追踪示意图
图2视觉追踪算法框架流程图
根据事故现场踏勘情况，在塌陷区域周边架设3站，并保证每个测站的周边环境都具有明显的空间特征参照物，整个作业过程中让仪器始终处于保持开机状态，且在搬站过程中让机身的内置视觉追踪器始终处于与外界通视，以保证后续内业基于视觉追踪技术的自动拼接精度。3个测站应能覆盖整个塌陷区域，并在保证作业安全的前提下，激光点云应能触及塌陷区域底部，以便于后续相关空间数据的分析、计算。
参数设置主要包括扫描密度设置、拍照设置、重复扫描设置等[10]，扫描密度取决于对点云成果的精细化程度要求，点云密度要求高，则设置成高档密度扫描，扫描的时间也就最长;拍照设置可以设为拍照或不拍照，若设置成拍照，则扫描获取的点云不仅具有空间三维坐标和发射率，还具有真彩色信息[11];设置重复扫描可以自动过滤掉扫描过程中移动的人或物体，但扫描时间延长一倍[12]。本事故中根据实际情况设置成中档密度扫描，同时拍照，不重复扫描。
经基于视觉追踪技术的自动化拼接后，3个测站间的重叠度及拼接误差如表1所示:
表1视觉追踪自动拼接测站间精度
从表1可以看出，基于视觉追踪技术的自动拼接在相邻测站间点云匹配的精度都在3mm之内，可以满足后续处理需要。
3、点云分析及成果应用
3.1点云预处理
直接获取的点云具有数据量大、密度高、噪声多等特点[13]，在进行点云分析前需要对点云进行预处理，预处理主要包括点云优化、去噪滤波、点云分割等操作[14]。流程图如图3所示。
图3三维点云预处理流程图
点云优化包括点云统一化、抽稀等操作[15]，点云统一化的作用是将外业扫描各个测站获取的独立点云合并成一个整体，抽稀的作用是均匀地减小点云的密度，从而便于电脑和软件进行快速的操作。去噪、滤波是通过一定的算法和处理手段，将点云中无效的点云群进行删除，对于有序点云可通过平滑滤波的方法进行去噪，对于散乱点云数据则采用八叉树法、空间单元格法、KD-tree法等方法进行去噪处理。点云切割的作用是将一个完整点云根据后续处理需求划分成若干个独立的点云群，从而便于后续的数据导入导出以及不同需求的二次应用分析。经点云预处理后，事故现场俯视图和侧视图如图4和图5所示。
图4点云预处理后俯视图
图5点云预处理后侧视图
3.2成果应用分析
塌方事故需要获取的空间数据信息主要包括塌方区域上表面尺寸、面积，塌方深度以及塌方体积。塌方路面上表面的尺寸以及塌方深度可通过三维点云软件中选取相应的特征点进行量取。塌方上表面面积计算方法如下:构建一个空间参考面，调整其姿态使其与塌方区域上表面充分吻合，采用画笔在该参考面上沿着塌方上表面边线构建多边形，并使其闭合，对该闭合多边形进行面积计算，即可求得塌方面积，结果示意图如图6所示。
图6塌方区域面积计算结果图
塌方区域体积的计算需要利用之前构件的参考面，即计算塌方空间与参考面包围的空间包络体的体积，首先对选择塌方区域，剔除塌方区域干扰物体，如倒塌的树木、灯杆等，否则会对体积计算结果产生较大的误差，剔除完成后对塌方内表面创建Mesh网格，然后计算该Mesh网格与参考面形成的空间体积，计算流程如图7所示，体积计算结果如图8所示。
图7体积计算流程图
图8塌方体积计算结果图
4、总结
三维激光扫描技术为突发事故现场应急测绘提供了有效的解决方案，突破传统方法仅对有限点的测量，可以快速获取突发事故现场的空间高精度点云数据及三维模型，进而可以建立事故现场全面、准确、真实的三维全息数字档案，根据点云模型提取应急救援所需的空间三维数据，从而为救援处置提供辅助决策依据。
基于视觉追踪技术三维激光扫描仪的出现，突破了传统架站式扫描仪在不同测站之间需要控制点或标靶才能拼接的方法，极大地提高了外业作业效率，节省了内业点云拼接时间，尤其适用于突发事故现场的应急测绘。
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