車載移動三維激光掃描技術高程精度研究

張麟

摘? 要：隨著時代發展，掃描技術的不斷前進，車載移動三維激光掃描技術也出現在人們的視野之中。文章將使用實例數據，通過與傳統方式的對比研究，對車載移動三維激光掃描技術的高程精度進行研究，探索其在智慧城市建設中使用的可行性。

關鍵詞：車載移動三維激光掃描技術;三維控制點;點云糾正

中圖分類號：P225.2? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）08-0144-02

Abstract： With the development of the times and the continuous progress of scanning technology， vehicle-borne mobile three-dimensional laser scanning technology also appears in people's field of vision. This paper will use the example data， through the comparative study with the traditional way， to study the elevation accuracy of the vehicle mobile 3D laser scanning technology， and explore the feasibility of its use in the construction of intelligent city.

Keywords： vehicle moving 3D laser scanning technology; 3D control point; point cloud correction

引言

隨著城市建設的不斷發展，規劃與設計對于城市數據的使用更為精確，道路數據的使用也越來越精細，城市道路建設的長度也越來越長，如何快速準確地提取城市道路高程數據也是當務之急。

就傳統的方式而言，獲取道路高程數據，需要進行水準路線的布設，不同精度要求的數據提取需要采用不同等級的水準路線進行測量，而且道路數據的提取密度也不夠靈活，這種方式繁雜且效率較低。因此，隨著技術的不斷發展，三維掃描儀也逐漸應用其中，面塊式的數據采集往往能夠采集更多的數據，但是面對越來越多的大批量數據采集，固定式的三維掃描儀也無法滿足數據采集的效率，所以本文將采用移動三維激光掃描技術結合上海黃浦區外灘某城市道路數據實例，對其采集的高程數據的精度進行研究探討。

1 車載移動三維激光掃描技術

車載移動三維激光掃描技術，即用車輛作為掃描儀的載體，將三維激光掃描設備、GNSS導航定位設備、慣性測量設備以及相關的全景相機進行統一封裝之后，在車輛行駛過程中，使用多源傳感器獲取周邊地形地物與三維激光掃描設備間的位置關系的系統。其中數據采集模塊即包含全景相機以及三維Lidar掃描設備，前者采集車輛行駛時所拍攝的全景相片，可以用來進行常見的街景制作以及模型紋理使用。后者則是用來測量地形地物的水平角、垂直角以及與激光發射器的間距，進而可以準確獲得待測點的空間直角坐標。以固定坐標系統為例，假設以激光發射器為原點建立空間直角坐標系統，XY為平面坐標，Z為垂直方向高程值，求得待測點的三位坐標如圖1。

2 數據采集

2.1 項目概況

本工程實例采用的是華測AS-900HL多平臺激光雷達測量系統進行點云數據采集，其測距精度為1cm，搭載的是Ladybug5全景相機，載體為別克GL8商務車，測量的道路位于上海市黃浦區外灘約1.3km的城市道路。本項目針對的是高程精度，故本次數據采集僅采集點云數據，對于影像數據的采集以及處理不作說明。

2.2 作業流程

外業數據采集包括基站控制測量、點云數據掃描和三維控制點測量三部分，控制測量包含平面控制測量以及高程控制測量。

基站控制測量主要是測設基站點的平面高程數據，需要在數據采集前在采集周邊選定位置，基站要求在信號較好處，距采集現場方圓15公里范圍以內。現場施測基站平面坐標時，需與上海CORS站網進行GPS聯測，按GB/T 18314-2009 《全球定位系統（GPS）測量規范》中D級網要求施測。基站高程控制測量，采用Leica電子水準儀DNA03及與其配套的條形碼標尺。水準儀和水準標尺的檢校項目、限差和水準施測方法按GB12897-2006《國家一、二等水準測量規范》二等幾何水準規定執行。而根據上海CORS站網的位置，其中的“上海市測繪院站”距采集現場道路方圓約7km，所以可直接使用上海市測繪院的CORS站網的數據資料，故本文中的控制測量部分可省去。

外業車載點云數據采集時，需要注意以下幾點：（1）首先根據需要掃描的道路制定車載掃描路線，車載掃描路線要求車輛行駛盡量走直線，較寬的道路為了保證數據質量，需要往返行駛;（2）為了減少道路點云數據的遮擋，點云數據采集需選取道路車輛、行人閑暇時段進行采集;（3）需在采集路段周邊找一空曠地區用于掃描儀pos靜置使用;（4）車載移動三維激光掃描需要同步在控制點上架設

基站，本項目使用的上海市測繪院站為7*24小時不間斷采集數據，即在內業處理時直接調取上海市測繪院站的星歷數據。

三維控制點測量需要注意的是，散點需測設在有明顯三維特征的角點上，可以是建筑物明顯角點上，也可以是有反光強度的道路標線上，為保證所測散點能夠在點云成果中找到對應的同名點，建議在解算出初步的點云后，在點云上進行三維控制點選擇后進行外業數據施測。外業三維控制點測量主要分為點位的平面坐標測量以及高程坐標測量。（1）平面坐標測量，點位平面坐標精度參照地形圖測圖圖根點的精度，外業實測時可利用上海已建成的CORS站網，采用GPS RTK模式現場直接測設三維控制點坐標，信號較差區域可布設平面控制點，然后使用全站儀進行圖根控制測量，具體限差參照GB 50026-2007 《工程測量規范》中具體要求執行。（2）高程控制施測按GB-T 12

898-2009《國家三、四等水準測量規范》三等幾何水準規定執行。水準測量采用上海市已布設完成的二等控制點作為起始點，經校驗后使用。本次于1.3km道路均勻分布并采集了33個三維控制點數據。

3 內業數據處理

3.1 數據解算

數據解算分為2個部分：一是采用Inertial Explorer（簡稱IE）軟件進行軌跡解算，IE軟件是一款用于處理并解算所有可用的GNSS、INS數據，并且提供高精度組合導航信息，包含位置、速度和姿態信息，在軟件中，輸入上海市測繪院CORS站三維坐標，并且導入外業儀器所采集的GPS導航信息，即可解算出車載掃描軌跡POS文件。二是點云數據生成，使用CoPre軟件，CoPre軟件用于點云數據的預處理以及點云數據的解算。通過在CoPre軟件中讀取IE解算出的POS軌跡文件，與車載移動三維激光掃描儀采集的數據結合，以30m為濾波值，即可解算出初步的點云。

3.2 精度驗證

精度驗證采用CoRefine軟件進行，CoPefine軟件是用于點云數據修正POS文件，點云數據精度驗證。本次驗證采用同名點驗證方式進行。即外業實測點的三維信息與點云中同名點的三維信息進行比較。通過3.1中初步解算出來的點云數據與外業測量的三維控制點數據進行同名點比對，確認同名點位的平面以及高程差值普遍在10-20cm內，精度較差，說明原始數據的三維信息較差。但是，我們通過點云中相對精度的校驗，即同名點位的距離差之差，即兩外業實測點位的距離差值與三維點云兩對應同名點位距離插值的互差進行比較，發現點云自身的相對精度基本保持在5cm左右，因此，為了提升點云的絕對精度，采用CoRefine軟件，使用部分外業測量的三維控制點數據對點云數據進行數據糾正，為了了解不同密度的糾正點間距對點云高程精度的提升，我們采用了三套方案進行研究，具體方案如下：

（1）以約60米左右作為間距，增加一個糾正點進行點云數據糾正，即采用21個三維控制點糾正后，再次輸出糾正后的點云，以其余的控制點進行高程同名點校驗，得到高程中誤差0.011m。

（2）以約150米左右作為間距，增加一個糾正點進行點云數據糾正，即采用8個三維控制點糾正后，再次輸出糾正后的點云，以其余的控制點進行高程同名點校驗，得到高程中誤差0.03m。

（3）以約400米左右作為間距，增加一個糾正點進行點云數據糾正，即采用3個三維控制點糾正后，再次輸出糾正后的點云，以其余的控制點進行高程同名點校驗，得到高程中誤差0.045m。

4 結束語

通過三套方案的中誤差可得：

（1）糾正點位密度越高，高程點位精度越高。

（2）糾正點位密度與高程點位精度呈一定的正比關系。

（3）400m左右的糾正點密度高程精度可以達到5cm。

本次獲得的結果還是僅僅針對城市平緩區域道路，且數據量有限，對于這一結論的準確性還需要進一步以實際案例進行驗證。

參考文獻：

[1]張文峰，王智明.車載激光掃描技術在地形數據采集中的應用[J].山東工業技術，2018，24：237-238.

[2]魏笑辰，羅志清.車載三維激光掃描系統的點云精度分析[J].價值工程，2016（1）：121-122.