应用于室内火灾现场的三维测量方法评估：点云比较

《Forensic Science International》：Assessment of 3D Surveying Methods applied to Indoor Fire Scenes: A Point Cloud Comparison

　　

在生成用于调查或训练工具的犯罪现场虚拟重建时，必须充分理解支撑这些重建的空间数据的准确性。本研究旨在评估犯罪现场收集的空间数据的准确性和完整性，这些数据是使用执法部门和法医调查人员可用的专用和现成测绘技术记录的。[Redacted]市[Redacted]的一处住宅中的模拟火灾现场被选为案例研究。首先，使用Leica RTC360 地面激光系统（TLS）、Leica BLK2GO 手持移动激光扫描仪（HMLS）、Matterport Pro2 3D相机 结构光扫描仪（SL）和Canon EOS 5D Mark III 数码单镜头反光相机（DSLR）组装了多模态点云数据集。由于其标称精度和分辨率，研究人员将使用TLS获取的点云确定为所选测量方法比较分析的基准参考系统。本分析包括通过与基准参考数据进行比较来评估点云的准确性和质量，使用视觉检查、云间距离估计、选定特征的测量不确定性以及里程计漂移分析。由于这些方法的不同性质，研究人员的意图并非识别整体最佳的测量方法。相反，研究人员感兴趣的是在事件记录的背景下，对所选捕获方法的性能进行定性和定量基准测试。

犯罪现场的记录是调查犯罪的关键步骤。在法医学框架内，为重构现场以进行调查或法庭演示，空间数据的准确性必须被充分理解。目前，随着新传感器进入现场记录工具库，包括360度摄影、摄影测量和激光扫描在内的三维扫描方法在被毁坏或复杂的室内环境记录中变得极为普及。然而，目前缺乏针对犯罪现场测量的普遍接受的准确性国际标准。各国标准不一，导致现场操作人员在选择最适合目的的测量设备和方法时面临困惑。此外，室内犯罪现场的数据收集面临环境光线条件差、结构障碍、多尺度问题等环境约束。测量数据必须伴随不确定性和误差估计，以确保解释的稳健性和有效性。因此，评估所部署成像仪器的可行性，重点权衡其在犯罪现场的适用性及数据准确性显得至关重要。这项研究旨在为希望将三维犯罪现场重建作为训练或调查工具的法医学家和从业者提供关于三维数字化方法不确定性的定性和定量见解。该研究成果已发表在《Forensic Science International》上，为法医学的数字化记录提供了重要参考。

研究人员在一个由资深调查人员布置的两层民宅模拟犯罪现场（包括谋杀和纵火场景）开展了研究。在火灾被消防人员扑灭24小时后，研究人员在同一天内使用四种具有代表性的传感器对场景进行了数据采集。随后，利用多尺度模型对比（M3C2）距离分析、选定特征重复测量、局部表面变形的法向量欧几里得距离计算、统计检验等关键技术在Cloud Compare等软件中进行了点云对比分析。

点云偏差分析：通过将各设备生成的点云与TLS基准点云进行M3C2距离计算，评估了各传感器的整体误差。HMLS与DSLR传感器的平均绝对M3C2距离达到了亚厘米级，表现出了与基准相近的总体精度。SL的平均距离最大。在应用迭代最近点（ICP）缩放后，所有数据集的绝对距离中位数都有所改善。但SL在缩放后的均方根误差（RMSE）和标准差呈现劣化，表现出内部传感器不一致性。

选定特征测量评估：研究对12个特征进行重复测量以评估配准误差和不确定性。DSLR的估算误差最小，表现甚至与TLS基准精度相当。HMLS与SL达到了与其标称精度相当的误差水平。但在特征识别中，HMLS因点密度低和颜色信息不足导致难以识别较小特征，产生了观测误差。应用ICP缩放总体上减少了点云误差，提高了精度。

局部表面变化与变形检测：为评估里程计漂移和配准误差累积，研究提取平面切片并拟合法向量进行评估。DSLR模型的法向量距离基准模型差异最小，展现出最高的平面拟合精度。SL和HMLS表现出较大的法向量误差，但空间分布测试未发现明显的系统性误差，表明采用的闭环轨迹等采集策略有效防止了变形累积。

点云完整性：通过视觉检查发现，所有方法在高度反射、透明和阴影区域均面临挑战。DSLR在低对比度区域易出现重建间隙，而HMLS易受扫描角度和距离影响导致分辨率不均。

研究结论指出，DSLR摄影测量在火灾现场展现出了与TLS基准相当的最高准确性，是一种低成本的精确方法，但耗时较长。SL获取速度快，但在准确性和数据处理的“黑箱”性质上存在应用限制。HMLS提供了最快的空间信息获取速度，且对现场污染最小，尽管精度略低，但仍可媲美SL。在火灾等挑战性环境中，所有评估的数字化方法均在其声明的准确度范围内运行。研究人员强调，了解各数字方法的局限性和测量不确定性，对于法医学专家制定无偏见的假设和法庭定论至关重要。