無(wú)人機(jī)影像結(jié)合激光掃描在地面停車(chē)場(chǎng)測(cè)量中的應(yīng)用

王 研 ，白振軍，范文超

(1.長(zhǎng)慶工程設(shè)計(jì)有限公司，陜西西安 710018；2.陜西天度云激光科技有限公司，陜西西安 710021)

1 引 言

隨著5G技術(shù)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字城市建設(shè)成為未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。在精確導(dǎo)航的基礎(chǔ)上配合數(shù)字化停車(chē)場(chǎng)地圖，可實(shí)現(xiàn)停車(chē)場(chǎng)的智能導(dǎo)航。因此，停車(chē)場(chǎng)及其附屬設(shè)施的數(shù)字化也是今后測(cè)量領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

停車(chē)場(chǎng)數(shù)字化的附屬信息多，不僅要求測(cè)繪車(chē)道線(xiàn)、出入口標(biāo)志、閘機(jī)、轉(zhuǎn)向箭頭、導(dǎo)流線(xiàn)、減速帶等信息，而且測(cè)量要求也更加精細(xì)(如車(chē)道線(xiàn)寬5 cm)。地理要素測(cè)量如此龐雜且高精度，傳統(tǒng)的測(cè)量精度一般為3～5 cm，不能滿(mǎn)足測(cè)量精度要求，并且信息記錄和表述困難。

地面三維激光掃描技術(shù)在采集速度、測(cè)量精度、信息多元化等方面都具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，配合其自帶像機(jī)可實(shí)現(xiàn)地面建筑物點(diǎn)云和影像的全獲取[1]，測(cè)量精度可控制在2 cm以?xún)?nèi)。

因此，地面三維激光掃描是解決上述問(wèn)題的一個(gè)很好的方案。但是當(dāng)?shù)孛娼ㄖ锝Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、遮擋較多時(shí)，掃描和拍照時(shí)總存在缺漏的地方，影響后期地面信息的判讀。如果飛行條件容許，結(jié)合無(wú)人機(jī)正射影像，將解決三維激光掃描儀點(diǎn)云和影像獲取不足的問(wèn)題，直觀且清晰地實(shí)現(xiàn)后期的信息解讀和成果制作[2-3]。

2 地面停車(chē)場(chǎng)三維激光掃描

2.1 工程要求

測(cè)圖要求：詳細(xì)表述停車(chē)場(chǎng)各單元信息、附屬物及周邊建筑，如圖1-3所示。測(cè)圖比例尺為1∶100，平面位置精度≤5 cm，高程精度≤10 cm，成果形式為二維CAD圖紙。

2.2 選擇儀器

本次采用的儀器為徠卡P40，儀器的參數(shù)如表1所示。

圖1 道路邊線(xiàn)Fig.1 Theroadsideline圖2 車(chē)位線(xiàn)Fig.2 Parkingspaceline圖3 減速帶Fig.3 Speedbumps

表1 徠卡P40參數(shù)Tab.1 ParametersofLeicaP40名 稱(chēng)參 數(shù)掃描距離/m270掃描速度/(點(diǎn)/s)1000000點(diǎn)位精度/mm3,506,100距離精度/mm1.2mm+D×10-6視場(chǎng)角/(°)水平360垂直270

2.3 數(shù)據(jù)獲取及處理

外業(yè)掃描時(shí)先對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行踏勘，依據(jù)地形布設(shè)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)布設(shè)時(shí)應(yīng)兼顧無(wú)人機(jī)像控點(diǎn)布設(shè)的要求，掃描作業(yè)時(shí)將地面控制點(diǎn)同時(shí)掃描[4]。圖4、圖5分別為掃描作業(yè)和布設(shè)控制點(diǎn)照片。

圖4 掃描作業(yè)Fig.4 Scanning operation

圖5 布設(shè)控制點(diǎn)Fig.5 Layout of control points

掃描完成后，將各站的掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)出。首先，對(duì)各站進(jìn)行數(shù)據(jù)降噪[5]，如某單站掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中包含控制點(diǎn)，需將控制點(diǎn)信息添加到點(diǎn)云中，以便后期的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；其次，依據(jù)公共標(biāo)靶點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接，并結(jié)合工程需要按照地面控制點(diǎn)信息進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換；最后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD中進(jìn)行平面和立體圖制作。圖6為整體作業(yè)流程[6]。

圖6 三維掃描作業(yè)流程Fig.6 3D scanning process

3 地面停車(chē)場(chǎng)無(wú)人機(jī)作業(yè)

3.1 選擇儀器

本次選用大疆PHANTOM 4 RTK無(wú)人機(jī)進(jìn)行作業(yè)，飛行高度約100 m，地面平均分辨率達(dá)到5 cm。相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

3.2 作業(yè)流程及數(shù)據(jù)處理

無(wú)人機(jī)地面像控點(diǎn)可選擇三維激光掃描時(shí)布設(shè)的控制點(diǎn)，在控制點(diǎn)上可覆蓋十字絲光標(biāo)，飛行完成后通過(guò)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行正射影像的制作。其作業(yè)流程如圖7所示。

表2 大疆PHANTOM4RTK參數(shù)Tab.2 ParametersofDajiangPHANTOM4RTK有效像素/個(gè)懸停精度/m飛行速度/(m/s)2000萬(wàn)±0.116

圖7 正射影像圖制作流程Fig.7 Production process of orthophoto map

4 點(diǎn)云和正射影像融合

處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和制作完成的停車(chē)場(chǎng)正射影像圖分別如圖8和圖9所示。

圖8 停車(chē)場(chǎng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.8 Point cloud data of parking lot

圖9 停車(chē)場(chǎng)正射影像Fig.9 Orthophoto of parking lot

將點(diǎn)云和正射影像導(dǎo)入CAD中，按照坐標(biāo)進(jìn)行疊加，并依據(jù)點(diǎn)云和影像進(jìn)行制圖。

圖10為融入影像的點(diǎn)云，圖11為制作的停車(chē)場(chǎng)CAD成果。

圖10 點(diǎn)云及正射影像Fig.10 Point clouds and orthophoto maps

圖11 停車(chē)場(chǎng)CAD圖Fig.11 CAD drawing of parking lot

5 精度統(tǒng)計(jì)

為了檢驗(yàn)成果精度，現(xiàn)場(chǎng)使用徠卡全站儀TS09進(jìn)行測(cè)量，儀器測(cè)角精度1″、測(cè)距精度2 mm+2D×10-6架設(shè)于控制點(diǎn)上隨機(jī)對(duì)幾處線(xiàn)狀地物進(jìn)行測(cè)量，并與CAD圖紙坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。表3為坐標(biāo)精度對(duì)比。

表3 精度對(duì)比Tab.3 Precisioncomparison序號(hào)ΔX/cmΔY/cmΔZ/cmΔS/cm11.70.50.61.8721.01.31.42.1630.71.11.72.1440.71.71.62.4451.11.01.92.4161.31.01.52.2270.81.22.03.2482.11.00.72.4390.91.51.72.44101.00.82.22.55中誤差mx=1.21my=1.16mz=1.74m=2.41

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)點(diǎn)云疊加正射影像采集的停車(chē)場(chǎng)車(chē)位線(xiàn)和導(dǎo)向標(biāo)識(shí)，經(jīng)過(guò)GNSS-RTK抽樣檢測(cè)，中誤差為2.41 cm，滿(mǎn)足工程精度要求。本文得出的結(jié)論如下：

1)諸如停車(chē)場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)等建筑數(shù)字化采集時(shí)，地面標(biāo)志、導(dǎo)向箭頭等要素采用全站儀測(cè)量時(shí)，數(shù)據(jù)采集量太大且不易描述記錄；采用GNSS-RTK方式時(shí)采集點(diǎn)精度不易控制且易受到建筑物、樹(shù)木等遮擋，衛(wèi)星數(shù)量少，解算慢，影響作業(yè)效率。通過(guò)實(shí)踐，采用手持激光掃描儀無(wú)需后期數(shù)據(jù)拼接，其成果精度經(jīng)過(guò)測(cè)試，滿(mǎn)足工程要求，今后可作為此類(lèi)項(xiàng)目作業(yè)的優(yōu)先技術(shù)手段。

2)城鎮(zhèn)區(qū)域地面停車(chē)場(chǎng)數(shù)字化測(cè)量時(shí)適合采用地面三維激光掃描的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和成果制作，作業(yè)時(shí)應(yīng)盡量選用自帶拍照功能的掃描儀，這樣采集的點(diǎn)云附著影像，有利于后期物體的識(shí)別和繪制。

3)城鎮(zhèn)周邊有條件進(jìn)行無(wú)人機(jī)拍攝時(shí)，可采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行正射影像的制作，無(wú)人機(jī)生成的正射影像具有整體性強(qiáng)、直觀且清晰的特點(diǎn)，彌補(bǔ)了三維激光掃描儀采集像片中的不足，有利于作業(yè)人員進(jìn)行后期影像的判別和繪制。