基于精度與效率指標的傳統測繪技術與激光掃描測繪技術對比研究

董 毅

（重慶市勘測院，重慶 401121）

0.引言

測繪作為重要的基礎技術手段，在交通、工民建、地質、農業等領域得到了廣泛應用，同時也是各類工程建設項目開展的重要前置工程，隨著工程測繪技術手段的不斷發展和迭代，測繪技術的效率和精度得到大幅度提升，傳統的測繪技術已逐漸被新的測繪技術替代，以GNSS為基礎的激光掃描測繪技術作為現代測繪技術手段的代表已被廣泛應用在土地測量和房屋測設項目中[1]；為了進一步明確新型測繪技術與傳統測繪技術在測繪精度和測繪效率兩方面的差異，本文特以某村民宅測繪項目為研究案例，選擇“全站儀＋GNSSRTK”和激光掃描測繪兩種技術分別作為傳統測繪手段和尖端測繪手段的代表，通過測設建筑物的邊界控制點和邊界線長度，以定量分析兩種技術在精度和效率方面的差異。

1.測繪技術發展歷程概述

測繪技術的發展起源可追溯至幾千年前，我國古代測繪技術最早應用在水利工程中，從概念組成角度分析，測量工程可細分為測繪和測設兩部分，其中，測繪主要指的是針對自然或人工構造物而開展的人工測量作業，通過人工測量以明確測繪對象的外形、大小、空間方位等信息，隨著測繪技術的不斷發展和完善，廣義的測繪還包括針對測繪數據的采集、存儲和表達，主要目的是為工程技術人員提供科學準確的參數化信息；測設則位于測繪作業之后，主要是將提前采集到的點位、線路等參數信息借助專用的測繪儀器測設到實地中。目前，測繪技術在我國的應用極其廣泛，基本覆蓋了涉及國計民生的所有行業，尤其體現在地質勘察、交通建設、礦山規劃、軍事作戰等領域[2]。

通過觀察測量技術的發展歷程可知：測量技術發展歷程從技術層面可細分為簡單測量、儀器測量及現代測量三個基本階段，其中，簡單測量和儀器測量可歸納為傳統測量技術，傳統測量技術具有原理基礎且簡單、手段簡易、效率低下、誤差大等特點，且傳統測量技術在實際應用過程中存在明顯的局限性。隨著電子科學技術的快速發展，以GIS、GNSS等技術為代表的現代測量技術應運而生，相較于GPS技術，GNSS技術更偏向于衛星導航，而GPS技術則主要用于全球定位，但二者的工作基礎均為通訊衛星，GPS技術出現較早，主要用于衛星定位，其具有定位精度高、工作不受環境條件限制、覆蓋能力超強、使用便捷等突出優點，而GNSS全球導航定位技術，能夠為用戶提供地表及近地點的全部三維坐標信息，同時能夠捕捉到當前的運行速率。總而言之，現代測量技術的出現徹底打破了傳統測量技術的多種局限，實現了測量、計算、存儲、顯示的一體化，使得工程測量的精度、效率得到了根本性的轉變。

2.全站儀聯合GNSS-RTK與激光掃描測繪技術概述

2.1 全站儀聯合GNSS-RTK測繪技術概述

全站儀是在經緯儀的基礎上發展起來的，其實現了傳統光學測繪儀器與現代電子技術的深度融合，全站儀兼顧了經緯儀和測距儀兩大功能，能夠滿足角度、距離實時測量需求，且儀器內置微型計算機，能夠對測繪數據實時編算；全站儀除了具備角度、距離、高程等數據的測設功能外，其內置了大量成型計算程序，能夠實時給出測點坐標數據，且能根據需求對坐標點放樣。相較于傳統的測繪儀器，全站儀在測繪精度、操作便捷性、自動化程度、功能集成等方面具有不可替代的優勢；目前，全站儀已廣泛應用到了細部數據采集、測點放樣、控制測量、施工變形監測等領域。

GNSS－RTK測繪技術一般需與全站儀聯合使用，是最早的一代數字化測繪技術。依靠全站儀和GNSS－RTK信號接收設備，采用編碼法將采集到的測點信息用編碼代替，信息按照統一標準編碼后，輸入到計算機輔助軟件中完成地形圖的自動繪制，計算機輔助繪圖工具附帶地物標記、地物連線及地物閉合等功能，自動化程度較高[3]。全站儀測量受現場環境影響較大，且兩點間需要滿足通視要求，對于地形起伏較大的區域測繪難度更高，此外，全站儀需要配套大量的踏勘、定點、測設等專業人員，工作量較大，測量作業時間較長，綜合成本更高；而GNSS－RTK測繪技術直接依靠衛星實現信號傳遞，無須考慮現場通視條件，且信號傳遞、處理無須人工干預，能夠滿足全天候測繪要求，因不受人為因素干擾，故其定位精度更高，但GNSS－RTK設備在信號傳遞過程中容易受到干擾，且測繪誤差易累積[4]。為了發揮GNSS－RTK和全站儀測繪技術的優勢，二者聯合測圖是目前主流的測設技術之一[2]。圖1闡述了二者聯合測圖的基本流程：

圖1 GNSS-RTK和全站儀聯合測圖流程

2.2 激光掃描測繪技術概述

三維激光掃描技術又稱實景復刻技術，是工程測繪行業的革命性突破，三維激光掃描技術真正實現了測繪作業的三維立體化，三維激光掃描技術的原理是依靠掃描儀采集被測物體表面的點云信息數據，點云信息數據主要以坐標或反射強度等形式表征，通過點云數據采集，能夠快速實現被測對象的三維實體建模，對比與普通的單點測量技術，其在成像密度、測繪效率、測繪精度及自動化程度等方面具有突出優勢，目前已逐步成為空間數據采集測繪領域的主力之一。相較于傳統的二維測設技術，激光掃描測繪技術實現了工程測繪的“擴維”[1]，其技術發展具有里程碑意義，激光掃描測繪技術依靠伺服電機能夠在一定范圍內快速機動，綁定在軌道上的電子掃描鏡依靠激光測距原理迅速采集到實物的圖像信息，通過內置的微機程序快速解碼以獲取實物圖像表面的三維坐標及像素特征，最終通過計算機軟件刻畫出實體結構的三維模型。一套完整的三維激光掃描系統由掃描儀、集成電子設備、供電電源、軟件程序組成，其中，掃描儀是核心設備，由一臺高速測距儀、反射棱鏡、偏轉控制單元及數據輸出器組成，部分激光掃描系統還額外配置了數碼照相設備，可以實時獲取被測對象的影像數據。

激光掃描測繪的對象為點云，通過表征點云的坐標值及激光反射強度，以滿足單個點云的精準定位，點云函數表達式如式（1）所示：

大部分激光掃描儀采用笛卡爾坐標系，以儀器激發點為原點，z軸與豎向掃描面平行，x軸與橫向掃描面重疊，且z軸與x軸保持正交，y軸正對被測實體，x、y、z軸布置滿足右手定則[1]。激光掃描基準坐標布置（如圖2所示）：

圖2 激光掃描基準坐標布置

據圖2笛卡爾坐標系及已知參數α（激光水平夾角）、θ（激光豎直夾角）、s（反射距離），能夠得到式（1）所示函數的解析解，具體如式（2）所示：

三維激光掃描測繪誤差產生主要受儀器設備、外部環境、儀器操作、測量方案等因素影響，由于三維激光掃描測繪儀器的精細化程度較高，設備分辨率變化、作業環境變動等微小變化均會產生明顯的誤差，通常情況下，儀器與被測對象直線距離越小，相應的測繪精度則越高。

3.基于精度與效率指標的測繪技術對比分析

3.1 項目概況

某村地處我國華北平原腹地，全村地形復雜，海拔高差較大，屬典型的溫帶大陸性氣候，全村村域面積0.72km2，因地形復雜多變，村內民宅宅基地輪廓欠規整，起伏較大，且宅基地、耕地分界模糊，給地塊分界定線帶來較大的困難；此外，村民民宅大多為自建房，由于缺乏統一的建設施工標準，導致住宅外形各異，且存在不同程度的遮蓋現象，給房屋面積判斷和農村不動產權籍調查工作帶來較大的困難。

3.2 基于精度指標的對比分析

精度是衡量農村房屋及宅基地地籍信息測設質量的關鍵標準[5]，本文擬先從測設精度角度對比“全站儀＋GNSSRTK”與激光掃描測繪兩種技術在房屋及宅基地邊界控制點和邊界線長度方面的區別，并以傳統測繪技術測設結果為基準，定量判斷激光掃描測繪技術的可靠性。本文特選取某民宅宅基地邊界控制點共計30個，分別采用“全站儀＋GNSSRTK”和激光掃描兩種測繪技術進行現場測設，并將測設誤差Δ按照0和0.05基準進行誤差劃分[5]，具體對比結果（如圖3所示）：

圖3 基于測設精度的邊界控制點對比示意

據圖3可知：通過研究總計30個民宅宅基地邊界控制點測設結果發現，“全站儀＋GNSS－RTK”和激光掃描兩種測繪技術對應的測設結果的誤差范圍Δ基本介于［0，0.05］之間，通過定量計算有P[0，0.05]＝70%，P[0，0]＝10%，P[0.05，∪]＝20%，故誤差范圍Δ≤0.05的統計占比達到80%，因此，從邊界控制點測繪精度角度分析，采用激光掃描測繪技術得到的測設點精度達標率為80%，已達到規范限值要求。

同上，再隨機選取30個邊界線長度進行誤差分析，以定量判斷激光掃描測繪技術的誤差情況，測設誤差Δ按照0.0、0.05、0.1、0.2四級基準進行誤差劃分[5]，具體對比結果（如圖4所示）：

圖4 基于測設精度的邊界線長度對比示意

據圖4可知：通過研究總計30個民宅宅基地界限邊長測設結果發現，“全站儀＋GNSS－RTK”和激光掃描兩種測繪技術對應的測設結果的誤差范圍Δ基本介于［0，0.05］和［0.05，0.1］之間，通過定量計算有P[0，0]＝7%、P[0，0.05]＝47%，P[0.05，0.1]＝33%，而P[0.1，0.2]＝10%、P[0.2，∪]＝3%，故誤差范圍Δ≤0.1的統計占比達到87%，因此，從界限邊長測繪精度角度分析，采用激光掃描測繪技術得到的測設點精度達標率為87%，已達到規范限值要求。

3.3 基于效率指標的對比分析

除了測繪精度以外，隨著測繪工程逐步向大體量、大數據趨勢發展，測繪效率也關系到測繪工程的整體質量，故通過對比“全站儀＋GNSS－RTK”和激光掃描兩種測繪技術的測繪時間，以論證激光掃描測繪技術的高效性特點；本文統計了兩種測繪技術在完成全村村域0.72km2測設作業的所用時間，并按照測繪流程中的不同環節將總用時拆分，以進一步對比傳統測繪技術與激光掃描測繪技術在測繪效率方面的差異。兩種測繪技術對應的用時曲線（如圖5所示）：

據圖5可知：除成圖階段外，不論從各階段用時還是總用時方面對比，采用激光掃描測繪技術的作業效率明顯超過“全站儀＋GNSS－RTK”測繪技術，尤其在要素采集（點云采集）過程中，激光掃描測繪技術的自動化特性更高，且采用激光掃描測繪技術可跳過圖根采集環節，極大地壓縮了測繪作業流程，提高了外業測繪管理效率和集約化程度；雖然在后期內業成圖階段，激光掃描技術的耗時略高于“全站儀＋GNSS－RTK”測繪技術，但內業作業無須考慮安全性，且不受環境條件限制，機動性更高；綜上所述，激光掃描測繪技術在測繪效率上要全面優于以“全站儀＋GNSS－RTK”為代表的傳統測繪技術。

圖5 兩種測繪技術對應的用時曲線

3.4 基于施測難度的對比分析

本文針對某村地籍測量采用了傳統的“全站儀＋GNSSRTK”技術和三維激光掃描技術，并重點針對測繪精度和測繪效率進行了對比分析，初步明確了傳統測繪技術和三維激光掃描技術在地籍測繪過程中的優缺點。目前，以“全站儀＋GNSS－RTK”測繪技術為代表的傳統測繪技術已經在農村地籍測量中得到了廣泛應用，而三維激光掃描技術是后續發展起來的以高效率、自動化、集成化見長的新型測繪技術，在農村地籍測量中具有廣闊的發展前景。傳統測繪技術和新型測繪技術在測繪儀器設備、施測難度等方面存在較大差異，這也對測量人員的專業水準、技術能力提出了更高的要求，本文最后就兩種測繪技術的施測難度進行了細化的對比分析。具體分析結果（如表1所示）：

表1 傳統測繪技術與三維激光掃描測繪技術難度細化對比

綜上所述，在選擇具體的測繪技術和方案前，應綜合測繪精度、測繪效率、施測難度、投入成本、使用局限性等諸多因素，最終必選出最合理的施測方案，本文根據農村地籍測量工作實際情況，針對上述兩種測繪技術給出了綜合比選依據。具體依據（如表2所示）：

表2 傳統測繪技術與三維激光掃描測繪技術綜合比選依據

4.結束語

綜上所述，本文以某村地籍測繪項目為案例，從精度和效率兩大指標出發，對比分析了“全站儀＋GNSS－RTK”測繪技術與激光掃描測繪技術在邊界控制點誤差、邊界線長度誤差及作業時間三方面的規律；研究結果表明：激光掃描測繪技術的精度達到“全站儀＋GNSS－RTK”測繪技術水平，且測繪效率更高，測繪管理的集約化程度得到加強。