背負式移動激光掃描系統測繪大比例尺地形圖精度試驗研究

謝宏全，陳岳濤，趙 芳，田董煒，盧 霞

(淮海工學院測繪與海洋信息學院，江蘇 連云港 222005)

隨著三維激光掃描技術的發展，為滿足不同領域的需求，各種三維激光掃描設備應運而生[1]。國內許多學者針對不同類型的三維激光掃描設備進行了應用研究。結合GNSS技術的移動三維激光掃描儀系統，克服了掃描儀需要穩定平臺的瓶頸，實現了激光點云快速自動拼接，可快速獲取高分辨率街道或建筑外層空間三維激光點云數據，但在室外有高大綠化植被遮擋和室內無GNSS信號時無法進行精細掃描[2-6]。地面式三維激光掃描儀雖然掃描精度較高，但在面對大場景復雜環境時，存在工作效率低、后期點云數據處理量大等諸多問題[7-8]。背負式移動激光掃描系統采用SLAM(simultaneous localization and mapping)技術，結合GNSS與SLAM的技術優點，具備了對室內外場景數據快速連續采集的能力[9]。本文利用徠卡Pegasus Backpacks采集了蘇州工業園區測繪地理信息大樓的點云數據繪制1∶500地形圖，并通過傳統測量方法對其點云數據成果進行精度分析。

1 點云數據獲取與預處理

1.1 點云數據獲取

蘇州工業園區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，樓體結構呈U字形。首先規劃好掃描路線，分別在大樓東西南北4個方向地面上布設4個兩兩通視靶標，用于三維激光點云絕對位置精度修正和絕對高程轉換[10]。將靶標中心作為圖根點，應用GPS快速靜態的方法測得靶標中心蘇州獨立坐標系下的平面坐標，并按照四等水準測量標準測量靶標中心的高程。將徠卡Pegasus Backpacks放置在開闊無遮擋的環境下應用室外模式，利用GNSS接收機接收4～5 min數據，然后緩緩背起設備激活IMU，進入測區開始掃描。當遇到高達樹木遮擋無GNSS信號時，切換到室內模式(SLAM)采集數據，GNSS信號恢復后切換回室外模式。繞大樓行走掃描一圈約30 min，掃描完畢后，將掃描數據下載到U盤中。

1.2 點云數據預處理

打開U盤，對掃描數據進行預處理，具體如下：

(1) 應用Inertial Explorer軟件通過GNSS基站數據和徠卡Pegasus Backpacks流動站數據解算出運動軌跡并導出軌跡文件。

(2) 應用Infinity軟件，通過設置橢球參數、坐標轉換七參數、投影方式等將激光點云的坐標系統轉換為蘇州獨立坐標系統。

(3) 應用AoTumatic Processing軟件，將Inertial Explorer解算的軌跡文件作為室內模式采集數據的導航文件，經SLAM模塊解算后導出為新的軌跡文件，并利用新的軌跡文件和掃描文件，生成帶有徠卡Pegasus Backpacks姿態信息的軌跡后通過GPST(GPS Time)時間對齊，生成三維激光點云數據，導出LAS格式三維點云模型(如圖1所示)。

2 地形圖制作

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

(1) 利用圖根點將三維點云進行平面位置精度修正和高程轉換。

(2) 使用提取特征點功能提取繪制地形圖所需特征點。

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

(4) 依據《1∶500 1∶1000 1∶2000外業數字測圖技術規程》(GB/T 14912—2005)，使用全站儀+GPS RTK傳統測量的方法，測量地物、地貌等各項地形要素，在MicroStation V8聯圖繪制地形圖[13]。

3 精度對比分析

3.1 地形圖對比

將兩幅繪制好的1∶500地形圖在MicroStation V8聯圖軟件中疊合后[14]，如圖2所示，其中灰色為傳統測量繪制的地形圖，黑色為徠卡Pegasus Backpacks測量系統繪制的地形圖。進行對比分析可以發現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致部分點云部分缺失，進而造成了兩幅地形圖的不一致。

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

(3) 由于三維點云密度較大，在RealWorks中可連續提取道路拐彎處多個特征點；傳統測量為節省外業時間，在道路拐彎處通常采用小彎測量3個點、大彎測量5個點的作業方法。因此利用三維點云提取的特征點繪制的地形圖道路曲線比傳統測量方法更精確，從而導致了兩幅地形圖道路拐彎處不一致。

3.2 點云精度分析

選取均勻覆蓋整個測區20個檢測點進行點云精度分析，并在檢測點上貼上紙質靶標。利用全站儀測得靶標中心坐標作為真實值，再在點云模型中提取靶標中心坐標。取全站儀坐標和點云坐標的較差(如圖3所示)。依據《測繪成果質量檢查與驗收》(GB/T 24356—2009)，利用式(1)進行精度檢測。

(1)

由圖3可以看出，點位中誤差為0.054 m，高程中誤差為0.058 m。依據《工程測量規范》(GB 50026—2007)，一般地區圖上點位中誤差 0.8 mm，相應 1∶500測圖平面中誤差限差為 0.400 m；一般平坦地區，高程中誤差為 1/3倍等高距，相應 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獲取的點云精度符合規范要求。

3.3 作業效率對比分析

分別將兩種測量方法的內外業時間、作業人數等進行對比，分析兩種方法的作業效率，對比內容見表1。

表1 兩種測量方法效率對比

由表1可知：

(1) 利用徠卡Pegasus Backpack制作1∶500地形圖的時間比全站儀+GPS RTK繪制1∶500地形圖的時間要長0.5 h，但是外業時間大大縮短且內業大部分時間是計算機自動處理，因此相對來說大幅度降低了作業強度。

(2) 在作業人員數量上，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需要利用的軟件數量較多且操作步驟相對復雜，要求測量人員掌握更多的軟件操作。

4 結 語

試驗證明將徠卡Pegasus Backpack應用于大比例尺地形圖制作完全滿足規范要求。背負式移動激光掃描系統同樣適用于建筑BIM的獲取與構建、土石方量計算、變形監測、城市部件采集等測繪領域，其采用的SLAM技術在地下空間測量、室內定位與導航領域極具優勢。