背負(fù)式移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)測繪大比例尺地形圖精度試驗(yàn)研究

謝宏全，陳岳濤，趙 芳，田董煒，盧 霞

(淮海工學(xué)院測繪與海洋信息學(xué)院，江蘇 連云港 222005)

隨著三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展，為滿足不同領(lǐng)域的需求，各種三維激光掃描設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生[1]。國內(nèi)許多學(xué)者針對(duì)不同類型的三維激光掃描設(shè)備進(jìn)行了應(yīng)用研究。結(jié)合GNSS技術(shù)的移動(dòng)三維激光掃描儀系統(tǒng)，克服了掃描儀需要穩(wěn)定平臺(tái)的瓶頸，實(shí)現(xiàn)了激光點(diǎn)云快速自動(dòng)拼接，可快速獲取高分辨率街道或建筑外層空間三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，但在室外有高大綠化植被遮擋和室內(nèi)無GNSS信號(hào)時(shí)無法進(jìn)行精細(xì)掃描[2-6]。地面式三維激光掃描儀雖然掃描精度較高，但在面對(duì)大場景復(fù)雜環(huán)境時(shí)，存在工作效率低、后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理量大等諸多問題[7-8]。背負(fù)式移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)采用SLAM(simultaneous localization and mapping)技術(shù)，結(jié)合GNSS與SLAM的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，具備了對(duì)室內(nèi)外場景數(shù)據(jù)快速連續(xù)采集的能力[9]。本文利用徠卡Pegasus Backpacks采集了蘇州工業(yè)園區(qū)測繪地理信息大樓的點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制1∶500地形圖，并通過傳統(tǒng)測量方法對(duì)其點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果進(jìn)行精度分析。

1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

1.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

蘇州工業(yè)園區(qū)測繪地理信息大樓位于蘇州市南施街與蘇虹中路交叉口東南側(cè)，樓體結(jié)構(gòu)呈U字形。首先規(guī)劃好掃描路線，分別在大樓東西南北4個(gè)方向地面上布設(shè)4個(gè)兩兩通視靶標(biāo)，用于三維激光點(diǎn)云絕對(duì)位置精度修正和絕對(duì)高程轉(zhuǎn)換[10]。將靶標(biāo)中心作為圖根點(diǎn)，應(yīng)用GPS快速靜態(tài)的方法測得靶標(biāo)中心蘇州獨(dú)立坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)，并按照四等水準(zhǔn)測量標(biāo)準(zhǔn)測量靶標(biāo)中心的高程。將徠卡Pegasus Backpacks放置在開闊無遮擋的環(huán)境下應(yīng)用室外模式，利用GNSS接收機(jī)接收4～5 min數(shù)據(jù)，然后緩緩背起設(shè)備激活I(lǐng)MU，進(jìn)入測區(qū)開始掃描。當(dāng)遇到高達(dá)樹木遮擋無GNSS信號(hào)時(shí)，切換到室內(nèi)模式(SLAM)采集數(shù)據(jù)，GNSS信號(hào)恢復(fù)后切換回室外模式。繞大樓行走掃描一圈約30 min，掃描完畢后，將掃描數(shù)據(jù)下載到U盤中。

1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

打開U盤，對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，具體如下：

(1) 應(yīng)用Inertial Explorer軟件通過GNSS基站數(shù)據(jù)和徠卡Pegasus Backpacks流動(dòng)站數(shù)據(jù)解算出運(yùn)動(dòng)軌跡并導(dǎo)出軌跡文件。

(2) 應(yīng)用Infinity軟件，通過設(shè)置橢球參數(shù)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換七參數(shù)、投影方式等將激光點(diǎn)云的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為蘇州獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)。

(3) 應(yīng)用AoTumatic Processing軟件，將Inertial Explorer解算的軌跡文件作為室內(nèi)模式采集數(shù)據(jù)的導(dǎo)航文件，經(jīng)SLAM模塊解算后導(dǎo)出為新的軌跡文件，并利用新的軌跡文件和掃描文件，生成帶有徠卡Pegasus Backpacks姿態(tài)信息的軌跡后通過GPST(GPS Time)時(shí)間對(duì)齊，生成三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)出LAS格式三維點(diǎn)云模型(如圖1所示)。

2 地形圖制作

由于真彩色點(diǎn)云是根據(jù)連續(xù)影像與原始點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)所得到的，在配準(zhǔn)過程中存在一定的貼圖誤差，故使用原始點(diǎn)云進(jìn)行地形圖繪制[11]。地形圖制作步驟具體如下：

(1) 利用圖根點(diǎn)將三維點(diǎn)云進(jìn)行平面位置精度修正和高程轉(zhuǎn)換。

(2) 使用提取特征點(diǎn)功能提取繪制地形圖所需特征點(diǎn)。

(3) 將特征點(diǎn)按照《城市測量規(guī)范》(JJ/T 8—2011)的表示方法和取舍原則在MicroStation V8聯(lián)圖中繪制出1∶500地形圖[12]。

(4) 依據(jù)《1∶500 1∶1000 1∶2000外業(yè)數(shù)字測圖技術(shù)規(guī)程》(GB/T 14912—2005)，使用全站儀+GPS RTK傳統(tǒng)測量的方法，測量地物、地貌等各項(xiàng)地形要素，在MicroStation V8聯(lián)圖繪制地形圖[13]。

3 精度對(duì)比分析

3.1 地形圖對(duì)比

將兩幅繪制好的1∶500地形圖在MicroStation V8聯(lián)圖軟件中疊合后[14]，如圖2所示，其中灰色為傳統(tǒng)測量繪制的地形圖，黑色為徠卡Pegasus Backpacks測量系統(tǒng)繪制的地形圖。進(jìn)行對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)兩幅地形圖基本重合，只有一小部分不一致，其原因可能為：

(1) 部分綠化植被的遮擋導(dǎo)致部分點(diǎn)云部分缺失，進(jìn)而造成了兩幅地形圖的不一致。

(2) 在RealWorks手動(dòng)采集路燈特征點(diǎn)的點(diǎn)位與全站儀外業(yè)采集的路燈點(diǎn)位存在一定的選點(diǎn)誤差，造成了兩幅地形圖上的路燈點(diǎn)位不一致。

(3) 由于三維點(diǎn)云密度較大，在RealWorks中可連續(xù)提取道路拐彎處多個(gè)特征點(diǎn)；傳統(tǒng)測量為節(jié)省外業(yè)時(shí)間，在道路拐彎處通常采用小彎測量3個(gè)點(diǎn)、大彎測量5個(gè)點(diǎn)的作業(yè)方法。因此利用三維點(diǎn)云提取的特征點(diǎn)繪制的地形圖道路曲線比傳統(tǒng)測量方法更精確，從而導(dǎo)致了兩幅地形圖道路拐彎處不一致。

3.2 點(diǎn)云精度分析

選取均勻覆蓋整個(gè)測區(qū)20個(gè)檢測點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云精度分析，并在檢測點(diǎn)上貼上紙質(zhì)靶標(biāo)。利用全站儀測得靶標(biāo)中心坐標(biāo)作為真實(shí)值，再在點(diǎn)云模型中提取靶標(biāo)中心坐標(biāo)。取全站儀坐標(biāo)和點(diǎn)云坐標(biāo)的較差(如圖3所示)。依據(jù)《測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》(GB/T 24356—2009)，利用式(1)進(jìn)行精度檢測。

(1)

由圖3可以看出，點(diǎn)位中誤差為0.054 m，高程中誤差為0.058 m。依據(jù)《工程測量規(guī)范》(GB 50026—2007)，一般地區(qū)圖上點(diǎn)位中誤差 0.8 mm，相應(yīng) 1∶500測圖平面中誤差限差為 0.400 m；一般平坦地區(qū)，高程中誤差為 1/3倍等高距，相應(yīng) 1∶500測圖所要求的高程中誤差為 0.167 m[15]。由此可知，徠卡Pegasus Backpacks獲取的點(diǎn)云精度符合規(guī)范要求。

3.3 作業(yè)效率對(duì)比分析

分別將兩種測量方法的內(nèi)外業(yè)時(shí)間、作業(yè)人數(shù)等進(jìn)行對(duì)比，分析兩種方法的作業(yè)效率，對(duì)比內(nèi)容見表1。

表1 兩種測量方法效率對(duì)比

由表1可知：

(1) 利用徠卡Pegasus Backpack制作1∶500地形圖的時(shí)間比全站儀+GPS RTK繪制1∶500地形圖的時(shí)間要長0.5 h，但是外業(yè)時(shí)間大大縮短且內(nèi)業(yè)大部分時(shí)間是計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理，因此相對(duì)來說大幅度降低了作業(yè)強(qiáng)度。

(2) 在作業(yè)人員數(shù)量上，徠卡Pegasus Backpack只需投入1人，全站儀+GPS RTK則需要投入3人，大大節(jié)省了人力成本。

(3) 在軟件的使用上，徠卡Pegasus Backpack需要利用的軟件數(shù)量較多且操作步驟相對(duì)復(fù)雜，要求測量人員掌握更多的軟件操作。

4 結(jié) 語

試驗(yàn)證明將徠卡Pegasus Backpack應(yīng)用于大比例尺地形圖制作完全滿足規(guī)范要求。背負(fù)式移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)同樣適用于建筑BIM的獲取與構(gòu)建、土石方量計(jì)算、變形監(jiān)測、城市部件采集等測繪領(lǐng)域，其采用的SLAM技術(shù)在地下空間測量、室內(nèi)定位與導(dǎo)航領(lǐng)域極具優(yōu)勢。