移動(dòng)測量系統(tǒng)在地形圖成果檢驗(yàn)中的應(yīng)用

焦字軍，景國峰，崔 濤，李文超，吳 迪

（1.山東正元數(shù)字城市建設(shè)有限公司，山東 煙臺(tái) 264670）

三維激光掃描技術(shù)是20世紀(jì)90年代中期出現(xiàn)的一項(xiàng)技術(shù)，車載三維激光移動(dòng)測量系統(tǒng)是三維激光掃描技術(shù)的一次革新[1]。該系統(tǒng)由多種高精度傳感器組成，可快速獲取物體的三維點(diǎn)云信息和影像信息。在載體移動(dòng)過程中，GPS系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)獲取WGS84坐標(biāo)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)自動(dòng)獲取姿態(tài)信息；外業(yè)采集時(shí)，GPS接收機(jī)對(duì)慣導(dǎo)的姿態(tài)、三維激光掃描器獲取的點(diǎn)云信息以及全景相機(jī)獲取的高清影像進(jìn)行處理，從而獲得高精度定位定姿數(shù)據(jù)和高密度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。本文將三維激光移動(dòng)測量系統(tǒng)應(yīng)用于地形圖質(zhì)檢工作中，解決了傳統(tǒng)檢測方法工作量大、人力成本高等問題。

1 設(shè)備概況

本次地形圖質(zhì)檢工作采用武漢海達(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司生產(chǎn)的ARS-1000L。硬件部分由激光掃描儀、慣導(dǎo)系統(tǒng)、全景相機(jī)和GNSS組成，搭載在SUV上（圖1），可實(shí)現(xiàn)三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取、紋理特征采集、定位定姿等功能，主要參數(shù)如表1所示；軟件部分由點(diǎn)云融合軟件、點(diǎn)云處理軟件、點(diǎn)云建模軟件、街景生產(chǎn)軟件、操控軟件等組成，可實(shí)現(xiàn)全景影像與三維點(diǎn)云獲取、車載軌跡解算、數(shù)據(jù)處理等功能。

表1 ARS-1000L系統(tǒng)參數(shù)

圖1 車載三維激光移動(dòng)測量系統(tǒng)

2 檢驗(yàn)方案

傳統(tǒng)地形圖成果檢驗(yàn)的工作內(nèi)容為數(shù)學(xué)精度檢查、數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)正確性檢查、地理精度檢查、整飾質(zhì)量檢查和附件質(zhì)量檢查，主要工作量集中于數(shù)學(xué)精度、地理精度的檢測。數(shù)學(xué)精度檢測主要利用全站儀、RTK對(duì)檢測點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)采集，工作效率較低；地理精度檢測主要利用人工進(jìn)行野外巡視，人工成本高。

陸玉祥[2]等研究了車載移動(dòng)測量系統(tǒng)在大比例尺地形圖數(shù)學(xué)精度檢測中的應(yīng)用；李俊[3]等研究了車載移動(dòng)測量系統(tǒng)在大比例尺測圖中的精度控制；黃昌狄[4]等研究了移動(dòng)掃描系統(tǒng)在1∶2 000地形圖成果檢驗(yàn)中的應(yīng)用，為質(zhì)檢工作提出了新方案。本文結(jié)合傳統(tǒng)地形圖檢驗(yàn)工作流程，提出了利用ARS-1000L三維激光移動(dòng)測量系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)檢驗(yàn)手段進(jìn)行數(shù)學(xué)精度質(zhì)量元素檢查、利用全景影像輔助地理精度檢查的方法，從而完成了對(duì)單位成果和批樣本的質(zhì)量評(píng)定，有效提高了地形圖成果檢驗(yàn)工作的效率。

2.1 方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的質(zhì)檢方案工作流程如圖2所示。

圖2 質(zhì)檢流程圖

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集前，首先需對(duì)測區(qū)進(jìn)行踏勘，了解測區(qū)內(nèi)的交通狀況；然后根據(jù)踏勘情況規(guī)劃采集路線；再按照規(guī)劃的采集路線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以40 km/h的速度行駛，確保點(diǎn)云密度滿足要求。數(shù)據(jù)采集流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集流程圖

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理工作主要包括POS解算、融合解算、全景拼接和數(shù)據(jù)預(yù)處理4個(gè)部分[5]。外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，對(duì)POS軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，將基站數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為融合軟件支持的文件格式，并生成POS格式文件；再對(duì)原始影像、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，獲取真彩點(diǎn)云數(shù)據(jù)，得到可量測的全景影像。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括點(diǎn)云過濾、點(diǎn)云分類、影像與點(diǎn)云配準(zhǔn)和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等過程[6-7]，利用HD_3LS_SCENE軟件完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)從WGS84坐標(biāo)系到CGCS2000坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換、影像與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)。三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖4、5所示。

圖4 三維激光點(diǎn)云（俯視）

圖5 三維激光點(diǎn)云（側(cè)視）

2.4 點(diǎn)云精度分析

2.4.1 測區(qū)概況

測區(qū)位于山東省臨沂市羅莊區(qū)，主要為村莊，面積為0.375 km2。本文分別利用三維激光移動(dòng)測量系統(tǒng)和拓普康102N全站儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.4.2 精度統(tǒng)計(jì)情況

本文共采集186個(gè)平面精度檢測點(diǎn)和135個(gè)高程精度檢測點(diǎn)，涉及6幅圖（1∶500比例尺）。根據(jù)GB/T 18316-2008《數(shù)字測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》的規(guī)定，高精度檢測時(shí)，中誤差的計(jì)算公式為：

式中，M為中誤差；n為檢測點(diǎn)個(gè)數(shù)；Δi為較差。

本文分別采用三維激光移動(dòng)測量系統(tǒng)與拓普康102N全站儀對(duì)檢測點(diǎn)進(jìn)行檢測，得到兩種方法的檢測結(jié)果如表2、3所示，可以看出，三維激光移動(dòng)測量系統(tǒng)得到的成果平面中誤差達(dá)到1/3標(biāo)準(zhǔn)中誤差，高程中誤差達(dá)到1/5標(biāo)準(zhǔn)中誤差，與拓普康102N全站儀的采集精度相近，說明點(diǎn)云的精確度在誤差范圍內(nèi)可作為真實(shí)數(shù)據(jù)，因此該方法可作為質(zhì)量檢測的標(biāo)準(zhǔn)方法。

表2 三維激光移動(dòng)測量系統(tǒng)檢測精度統(tǒng)計(jì)表

表3 拓普康102N全站儀檢測精度統(tǒng)計(jì)表

2.4.3 精度影響因素

移動(dòng)測量系統(tǒng)的測量原理為極坐標(biāo)法，即利用極坐標(biāo)計(jì)算公式，通過激光器發(fā)射的水平方位角、豎直角、激光測距結(jié)果和激光器中心坐標(biāo)4個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到待測點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)。待測點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算公式為：

式中，S為測距值；α為水平方位角；θ為豎直方位角；X、Y、H為激光器中心點(diǎn)坐標(biāo)。

通過分析發(fā)現(xiàn)，影響精度的主要因素為：

1）測距精度。激光器測距精度直接影響系統(tǒng)整體測量精度，該精度無法通過有效的數(shù)學(xué)公式平差修正，因此點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集工作應(yīng)在廠家給定的測量距離范圍內(nèi)才能保證測距精度。

2）測角精度。由極坐標(biāo)公式可知，觀測距離越遠(yuǎn)，測角精度對(duì)系統(tǒng)精度的影響越大，因此縮小觀測距離可提高測角精度。

3）激光器中心點(diǎn)坐標(biāo)精度。影響定位結(jié)果的因素較多，主要受高層建筑遮擋、多路徑效應(yīng)等影響，因此數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)避開遮擋GPS信號(hào)的區(qū)域和大面積水域。

4）車速影響。車速不均勻?qū)?dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)不均勻，進(jìn)而直接導(dǎo)致后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確，因此應(yīng)提前規(guī)劃好路線、控制好車速。

2.4.4 質(zhì)檢效率對(duì)比

為了驗(yàn)證三維激光移動(dòng)測量系統(tǒng)進(jìn)行地形圖質(zhì)檢工作的效率，將其與傳統(tǒng)質(zhì)檢工作的人工量進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表4、5所示，可以看出，利用三維激光移動(dòng)測量系統(tǒng)進(jìn)行地形圖檢驗(yàn)在工作效率上有明顯優(yōu)勢。

表4 移動(dòng)測量系統(tǒng)人工統(tǒng)計(jì)表

表5 傳統(tǒng)方法人工統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)語

本文將三維激光移動(dòng)測量系統(tǒng)應(yīng)用于大比例尺地形圖檢驗(yàn)工作中，對(duì)其數(shù)學(xué)精度與影響精度的因素進(jìn)行了分析；并通過與全站儀等傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)比，得到的結(jié)論為：①利用三維激光移動(dòng)測量系統(tǒng)進(jìn)行地形圖檢驗(yàn)工作能滿足規(guī)范要求；②本文的測區(qū)范圍為6幅圖（1∶500比例尺），面積為0.375 km2，三維激光移動(dòng)測量系統(tǒng)比傳統(tǒng)方法節(jié)省了5個(gè)人工，優(yōu)勢并不明顯，但在大面積質(zhì)檢工作中，三維激光移動(dòng)測量系統(tǒng)在所需人工量方面具有較大優(yōu)勢；③本文對(duì)三維激光移動(dòng)測量系統(tǒng)在地形圖檢驗(yàn)工作中的應(yīng)用進(jìn)行了分析、論證，能為地形圖檢驗(yàn)項(xiàng)目提供一定的借鑒。