ScanLook激光雷達(dá)系統(tǒng)在大比例尺測(cè)圖中的應(yīng)用測(cè)試

董軍

(銀川市勘察測(cè)繪院，寧夏 銀川 750000)

ScanLook激光雷達(dá)系統(tǒng)在大比例尺測(cè)圖中的應(yīng)用測(cè)試

董軍*

(銀川市勘察測(cè)繪院，寧夏 銀川 750000)

隨著測(cè)繪技術(shù)的不斷發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用研究，對(duì)于便攜式移動(dòng)三維掃描系統(tǒng)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，能否滿足城市勘測(cè)中大比例尺測(cè)圖精度要求，本文對(duì)ScanLook激光雷達(dá)系統(tǒng)分別采用車(chē)載、肩背作業(yè)方式進(jìn)行了項(xiàng)目應(yīng)用測(cè)試。筆者結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證分析了ScanLook 系統(tǒng)在大比例尺測(cè)圖中的適用性，供相關(guān)人員參考借鑒。

大比例尺測(cè)圖；ScanLook系統(tǒng)；三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)；精度；應(yīng)用

1 引 言

傳統(tǒng)的大比例尺地形圖測(cè)繪是利用全站儀、GPS接收機(jī)等儀器進(jìn)行野外采點(diǎn)，這些作業(yè)方式都是通過(guò)單點(diǎn)測(cè)量的方式獲取單點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)，而三維激光掃描則可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、連續(xù)、快速地獲取目標(biāo)物體表面的密集采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，即點(diǎn)云數(shù)據(jù)；實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)的點(diǎn)測(cè)量跨越到了面測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍；同時(shí)，獲取信息量也從點(diǎn)的空間位置信息擴(kuò)展到了目標(biāo)物的紋理信息和色彩信息[1]。三維激光掃描系統(tǒng)根據(jù)承載平臺(tái)可劃分為機(jī)載型激光掃描系統(tǒng)、地面型激光掃描系統(tǒng)、手持型激光掃描儀三類，而地面型激光掃描系統(tǒng)又可分為移動(dòng)式掃描系統(tǒng)和固定式掃描系統(tǒng)兩類。本文就便攜移動(dòng)式LiDAR系統(tǒng)ScanLook V系統(tǒng)在車(chē)載、電動(dòng)車(chē)、肩背不同模式下作業(yè)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)RTK測(cè)量、全站儀測(cè)量方式進(jìn)行了數(shù)據(jù)比對(duì)測(cè)試，檢驗(yàn)了系統(tǒng)在大比例尺空間信息獲取方面的精度可靠性，分析了其在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用范圍。

2 ScanLook系統(tǒng)介紹

北京金景科技有限公司的超輕便攜式LiDAR ScanLook V-IV系統(tǒng)全重 2.5 kg，重量輕，體積小，便于攜帶，可背包攜帶工作，不同移動(dòng)平臺(tái)間可以輕松切換，無(wú)論無(wú)人機(jī)、汽車(chē)、船、電動(dòng)車(chē)還是肩背均可輕松作業(yè)，掃描速率為70萬(wàn)點(diǎn)/s，實(shí)現(xiàn)了空間信息獲取室外全覆蓋，如圖1～圖3所示。

圖1 ScanLookV-IV系統(tǒng)

圖2 ScanLookV-IV系統(tǒng)車(chē)載照片

2.1 ScanLook系統(tǒng)組成

便攜式移動(dòng)平臺(tái)激光雷達(dá)(LiDAR)作為移動(dòng)測(cè)繪系統(tǒng)，整合多種激光雷達(dá)掃描儀，慣性導(dǎo)航組件以及GPS定位天線。系統(tǒng)將各組成傳感器與控制系統(tǒng)進(jìn)行了高效的優(yōu)化與整合，依靠控制軟件的整體協(xié)調(diào)與同步，使系統(tǒng)具有了在高速移動(dòng)狀態(tài)下采集高精度三維地理信息數(shù)據(jù)的能力。

系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)組成部分：

(1)硬件部分：

①POS系統(tǒng)

②電源連接線

③電腦控制芯片

④數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)

(2)配合使用傳感器探頭與移動(dòng)配件

①激光掃描儀

②移動(dòng)設(shè)備支架

(3)控制與處理軟件

①軌跡解算軟件Inertial Explorer

②點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算后處理軟件ScanLook Export(PointCloudExport)

其中POS系統(tǒng)標(biāo)配包括IMU(慣性測(cè)量單元)、GNSS接收機(jī)與GPS天線部分。

2.2 ScanLook系統(tǒng)原理簡(jiǎn)介

經(jīng)過(guò)整合的移動(dòng)掃描系統(tǒng)將激光掃描儀、IMU、GNSS天線通過(guò)中央處理器和USB數(shù)據(jù)線合成一個(gè)整體，進(jìn)而使系統(tǒng)每個(gè)時(shí)刻數(shù)據(jù)協(xié)同一致。采集完數(shù)據(jù)后，在本地計(jì)算機(jī)上用專業(yè)軟件(ScanLook Export)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步過(guò)程，數(shù)據(jù)同步過(guò)程分為時(shí)間的同步、回波與發(fā)射信號(hào)的匹配、計(jì)算回波和目標(biāo)點(diǎn)的大體位置和位置信息的精確校正4個(gè)步驟。

圖4 ScanLook系統(tǒng)工作簡(jiǎn)圖

GPS和IMU采集的數(shù)據(jù)用來(lái)進(jìn)行組合導(dǎo)航，獲取系統(tǒng)每個(gè)時(shí)刻的姿態(tài)和位置數(shù)據(jù)。激光掃描儀用來(lái)獲取目標(biāo)地物的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，結(jié)合姿態(tài)數(shù)據(jù)融合生成帶有絕對(duì)坐標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.3 ScanLook系統(tǒng)相關(guān)軟件

(1)軌跡解算軟件IE(Waypoint Inertial Explorer)

Waypoint Inertial Explorer(簡(jiǎn)稱IE)，是由NovAtel公司發(fā)布，ScanLook系統(tǒng)專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件，用于處理INS、GNSS天線數(shù)據(jù)，解算軌跡，結(jié)合基站數(shù)據(jù)做后差分處理。

(2)點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算后處理軟件ScanLook Export(PointCloudExport)

ScanLook Export由金景科技自主研發(fā)，可結(jié)合軌跡坐標(biāo)解算三維激光掃描儀數(shù)據(jù)，最終生成附有絕對(duì)坐標(biāo)值的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)項(xiàng)目應(yīng)用測(cè)試分析

為了驗(yàn)證Scanlook便攜式激光雷達(dá)系統(tǒng)的便攜性、易用性、精度可靠性和數(shù)據(jù)處理方法，在金景科技有限公司技術(shù)人員配合下，分別對(duì)ScanLook系統(tǒng)在車(chē)載、電動(dòng)車(chē)、肩背不同搭載平臺(tái)下作業(yè)方式，以實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目為基礎(chǔ)，進(jìn)行了多個(gè)項(xiàng)目種類的測(cè)試，并利用已有數(shù)據(jù)、RTK采集、全站儀測(cè)點(diǎn)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，對(duì)Scanlook系統(tǒng)在大比例尺測(cè)圖中成果精度進(jìn)行了驗(yàn)證。3.1 車(chē)載方式數(shù)據(jù)測(cè)試

銀川市繞城高速全長(zhǎng)約80 km，在數(shù)字銀川數(shù)據(jù)修測(cè)項(xiàng)目中需要對(duì)高速路上的路燈及道路指示牌進(jìn)行更新測(cè)量，由于在高速路上采用傳統(tǒng)測(cè)量手段作業(yè)，人員及儀器安全有隱患，單位利用車(chē)載Scanlook系統(tǒng)對(duì)繞城高速全段進(jìn)行了三維激光掃描，由于高速中間有綠化隔離帶，故采用內(nèi)環(huán)與外環(huán)分開(kāi)采集模式，共用時(shí) 4 h，獲取了全長(zhǎng) 160 km(內(nèi)外環(huán)各 80 km左右)的空間信息數(shù)據(jù)。

將YCCORS系統(tǒng)中的基站成果作為已知點(diǎn)，下載了同步Renix觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了數(shù)據(jù)的解算分析。輸出軌跡精度質(zhì)量總體精度優(yōu)于3 cm，點(diǎn)云質(zhì)量數(shù)據(jù)獲取全面，符合項(xiàng)目成果輸出要求，如圖5、圖6所示。

圖5 銀川環(huán)城高速外環(huán)線軌跡精度分析圖

圖6銀川繞城高速整體輸出點(diǎn)云截圖

在全面獲取銀川市環(huán)城高速內(nèi)外環(huán)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用點(diǎn)云后處理軟件TerroSolid進(jìn)行1∶500線劃地形圖的采集，獲取全路段道路邊線，車(chē)道線，隔離帶邊線等數(shù)據(jù)成果，并提取路燈及道路標(biāo)示牌等地物，采集了道路高程點(diǎn)信息。

采集成果與2009年地形圖及2015衛(wèi)星影像進(jìn)行套合檢測(cè)，基本精度誤差均在 15 cm以內(nèi)，符合1∶500地形圖成圖要求[2]。最終證明采用車(chē)載方式進(jìn)行大范圍公路帶狀測(cè)量中，使用金景科技ScanLookLiDAR系統(tǒng)能夠達(dá)到最終項(xiàng)目作業(yè)與成果要求。

3.2 背包方式數(shù)據(jù)采集測(cè)試

在銀川市某項(xiàng)目用地測(cè)繪中，由于園區(qū)內(nèi)的道路條件限制，大型車(chē)輛通行不便，測(cè)試使用電動(dòng)車(chē)采集結(jié)合背包行走的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。

外業(yè)利用激光掃描儀進(jìn)行作業(yè)之前，在開(kāi)闊硬質(zhì)路面利用膠帶在地面上粘了部分 50 cm×50 cm黑白相間的紙板，作為精度檢核的點(diǎn)位。使用RTK對(duì)布設(shè)點(diǎn)位和一些識(shí)別容易的明顯地物點(diǎn)采集三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度對(duì)比。個(gè)別驗(yàn)證點(diǎn)的平面坐標(biāo)在點(diǎn)云里無(wú)法精確判斷，只比對(duì)了高程，如表1、表2所示。

數(shù)據(jù)測(cè)試對(duì)比表 表1

精度統(tǒng)計(jì)表 表2

根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目中精度測(cè)試結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，在有植被覆蓋遮擋區(qū)域，要素的輪廓不易準(zhǔn)確判讀采繪；建筑物背后無(wú)激光點(diǎn)區(qū)域，還需結(jié)合其他測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行修測(cè)；對(duì)于植被覆蓋較密集區(qū)域，存在激光點(diǎn)未穿透地面的情況，還要對(duì)高程進(jìn)行甄別，防止采集錯(cuò)誤高程數(shù)據(jù)[3]。ScanLook移動(dòng)式LiDAR系統(tǒng)三維激光掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)平面中誤差 4.1 cm，高程中誤差 4.7 cm，依據(jù)CH/T 9008.1-2010《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶500、1∶1 000、1∶2 000數(shù)字線劃圖》的相關(guān)規(guī)定[4]，ScanLook移動(dòng)式LiDAR系統(tǒng)所獲取的原始基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的點(diǎn)云精度可以達(dá)到項(xiàng)目實(shí)施所要求的 1∶500地形圖的成果精度要求。

4 結(jié) 論

通過(guò)項(xiàng)目生產(chǎn)應(yīng)用的具體測(cè)試，驗(yàn)證了ScanLook移動(dòng)式LiDAR系統(tǒng)在城市勘測(cè)大比例尺地形圖中的可利用性。比起傳統(tǒng)測(cè)繪方式，ScanLook移動(dòng)式LiDAR系統(tǒng)測(cè)量更為方便快捷，1 km2數(shù)據(jù)在半天時(shí)間內(nèi)即可完成外業(yè)采集，大大節(jié)省了外業(yè)工作時(shí)間，減少了人員投入。可以根據(jù)不同的測(cè)區(qū)情況 ，選擇車(chē)載、肩背等多種不同的作業(yè)方式進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)繪的高效化。由于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特殊性，外業(yè)采集的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)冗余量大，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理繁瑣，點(diǎn)云判讀較為困難，這些都制約著激光LiDAR系統(tǒng)在城市測(cè)圖中的發(fā)展應(yīng)用。如何改進(jìn)升級(jí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件，增加一些人機(jī)交互式的軟件處理功能、半自動(dòng)化提取地物功能、配合全景影像成圖、加快點(diǎn)云瀏覽處理速度等，只有實(shí)現(xiàn)了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的易操作性，才能使三維激光掃描儀在城市大比例尺地形圖中實(shí)現(xiàn)真正意義上的廣泛應(yīng)用[5]。

[1] 謝宏全，侯坤. 地面三維激光掃描技術(shù)與工程應(yīng)用[M]. 武漢：武漢大學(xué)出版社，2013.

[2] GB/T 24356-2009. 測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收[S].

[3] 劉萬(wàn)華，劉超祥，原野等. 基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)測(cè)繪大比例尺地形圖的研究與應(yīng)用[J]. 城市勘測(cè)，2015(2)：9～12.

[4] CH/T 9008.1-2010. 基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶500、1∶1000、1∶2000數(shù)字線劃圖[S].

[5] 宮鵬，黃華兵. 激光雷達(dá)技術(shù)在我國(guó)地形測(cè)圖中應(yīng)用前景廣闊[J]. 地理信息世界，2008(12)：6.

Application Testing of the ScanLook Laser Radar System in Large-Scale Surveying and Mapping

Dong Jun

(Surveying and Mapping Institute of YinChuan City，NingXia 750000，China)

With the continuous development of surveying and mapping，the 3-dimensional laser scanning technology is applied to it. To test whether the point cloud data collected by the portable mobile 3-dimensional scanning system can meet the precision requirements of large-scale urban surveying and mapping，this paper tests the projects application with the ScanLook laser radar system on vehicles and on shoulders respectively. The author verifies and analyzes the applicability of ScanLook system in large-scale surveying and mapping through practical applications. The conclusion can be used as a reference for relevant personnel.

large-scale surveying and mapping；scanLook system；point cloud data of 3-dimensional laser；precision；application

1672-8262(2016)06-76-04

P237

B

2016—09—04

董軍(1972—)，男，高級(jí)工程師，主要從事土地勘測(cè)、城市測(cè)繪工作。