車載激光掃描測量系統用于測繪成果精度檢測中的可行性研究

李艷貴 杜新紅 秦少林 田振東

（1.輝縣市春誠測繪有限公司，河南 輝縣 453600；2.輝縣自然資源和規劃局，河南 輝縣 453600）

1 引言

2 技術路線

測繪成果質量檢查與驗收是測繪生產項目的重要一環，通過對樣本質量的檢查和評定來核定批成果質量，其檢驗結論是項目驗收的依據。近年來，盡管航空攝影測量與遙感等測繪技術的變革減輕了測圖生產各環節的工作量，但現有的檢驗手段，無論是全站儀還是GNSS-RTK測量均難以有效滿足既高效又精確的要求，檢測方法與手段并未發生顯著變化，仍是利用外業進行數學精度檢測點采集和地理要素巡視檢查，檢測方式有待進一步改進。隨著數字城市建設的推進，大比例尺地形圖的更新頻率不斷加快，外業占比大的大比例尺數據質量檢驗已成為制約質檢部門提高工作效率的瓶頸，研究“以內為主、以外為輔，高效率、全天候”的質檢方法和技術迫在眉睫，在現有數據檢驗方案基礎上急需利用新技術、新思路、新方法，為4D測繪成果驗收提供高精度三維坐標數據檢驗服務。

車載激光掃描測量技術作為測繪領域比較前沿的技術之一，在大比例尺道路帶狀地形圖、數字城管部件測量、道路資產評估、城市快速建模、精細街景模型網絡發布、高精度導航等領域得到廣泛應用[1-3]。尤其是城市大比例尺地形圖測繪，經過近十年的應用發展，取得了一些技術成果，具有廣闊的應用前景[4]。車載激光掃描測量技術為傳統基礎測繪數據等項目成果的精度檢測提供了一條新途徑。本文將車載激光掃描測量系統應用于4D測繪成果精度檢測中，驗證其位置精度，探索車載激光掃描測量系統在測繪成果精度檢測中的方案和工藝流程，從而提高4D測繪成果驗收的效率和質量。

2.1 車載掃描系統數據采集與處理

（1）外業數據采集 ：主要分為7個步驟 ：準備工作、路徑規劃、GNSS基站布設、系統參數設置、設備初始化、行車掃描、設備結束化。工作流程如圖1所示。

圖1 外業數據采集工作流程

（2）內業數據處理：旨在從解算出的點云和影像數據中提取地面點、目標坐標、DLG線劃圖及質檢目標自動切圖成果，用于和外業采集的檢查點進行精度驗證，并對4D測繪成果進行質檢。具體流程如圖2所示。

圖2 內業數據處理工作流程

2.2 質檢技術思路

質檢工作主要流程如圖3所示，包括接收任務、選定檢驗樣本、激光掃描數據采集、激光掃描數據內業處理、樣本質量評定、核定批質量、出具質量報告。

圖3 質檢工作流程

3 案例分析

3.1 研究區概述

樣本選定為肇慶15塊掃描區，每塊測區覆蓋面積為30km2，包括城區和鄉村道路。以質檢部門提供的全站儀和GNSS-RTK實測值為真值，每塊樣本區采集約30個平高點，對測繪成果和車載移動測量系統采集到的點位進行精度評價。

3.2 外業數據采集

外業數據采集主要包括設備初始化、正式采集和設備結束化三個階段。首先，結合已有資料，設計合理的行車掃描路徑和掃描時間，檢查GNSS接收機、里程計、IMU、系統供電電源、相機、激光掃描儀等設備，確保無誤后設定系統掃描參數，進行初始化工作。其次，系統初始化完成后，根據既定路線勻速掃描，掃描時沿快車道（緊靠隔離帶）行駛，若前方有車，應等待其離開，不能繞過行駛，以便后續數據處理。最后，掃描結束后，IMU進行10～15分鐘的靜態結束化，并對車載GNSS流動站和基準站GNSS結束化，使GNSS的時間覆蓋整個作業。

3.3 內業數據處理

數據預處理主要包括數據格式轉化、差分GNSS（DGNSS）計算、DGNSS/IMU/DMI聯合解算、激光掃描儀原始數據解碼等。

（1）數據格式轉換。首先將原始IMU記錄文件為*.ima格式，利用SSW組合導航數據預處理軟件將其轉化為IE可讀數據*.bin文件；將GNSS記錄數據通過Convert To RINEX軟件進行數據轉換，得到IE支持的*.dat文件。最后通過IE組合導航解算軟件進行解算，將IMU文件由*.bin轉化為*.imr格式，將GNSS文件由*.dat文件轉化為*.gpb和*.sta兩種文件。

（2）差分GNSS（DGNSS）計算。利用IE組合導航解算軟件進行差分GNSS（DGNSS）計算，需要外業輔助，提供基準站記錄數據、儀器高等數據。

（3）組合導航數據解算。IMU和GNSS的組合策略分為松組合方式、緊組合方式兩種。松組合方式是GNSS和IMU組合輔助進行實時動態定位的一種體系結構，利用GNSS計算得到的位置和速度按最小二乘估算法進行IMU的姿態、速度、位置誤差改正。緊組合方式是GNSS和IMU僅作為一個測量傳感器而非相互獨立、系統的一種體系結構，利用IMU解算初始整周模糊度，并在GNSS信號失鎖時保存記憶，當GNSS信號重新獲得后，利用IMU數據重新解算正確的整周模糊度。IMU可為GNSS提供實時速度和姿態信息，提升GNSS動態跟蹤和抗干擾能力，是一種精度較高的組合方式。

（4）激光掃描儀原始數據解碼。激光掃描儀原始數據解碼是將激光掃描得到的原始數據角度信息、距離測量信息，依據激光掃描儀工作原理進行函數變化，得到掃描點掃描儀系統局部坐標系下極坐標的一個過程，整個過程通過激光掃描系統自帶軟件SDCImport完成，最終得到的解碼數據文件為*.bplr格式，包含激光點坐標、激光強度、UTC時間等信息。局部點云成果如圖4所示，檢測道路和建筑物提取成果如圖5所示。

圖4 點云數據處理局部成果

圖5 自動提取成果

3.4 精度分析

按要求對車載激光點云數據成果的絕對精度和相對精度進行驗證，衡量車載地面移動測量系統采集的點云用于測繪質檢工作的精度有效性。為準確選擇檢測目標點，首先將外業實測數據展點在樣本圖，根據外業實測點點位的描述信息，利用點云編輯軟件選取和采集特征點。以質檢部門提供的全站儀和GNSS-RTK實測值為真值，每塊樣本區采集約30個點，對測繪成果和車載移動測量系統采集到的點位進行精度評價。

根據《測繪成果質量檢查與驗收》規定，采用高精度數據進行精度檢測時，中誤差按下式計算：

式中，M為成果中誤差；n為檢測點（邊）中誤差；Δi為較差。

（1）平面位置誤差統計。在15個樣本區用GNSS-RTK或全站儀采集447個平面檢測點，與車載點云數據中的同名點進行精度比對，以25cm作為中誤差限差（參照CJJ8-2017《城市測量規范》對1∶500地形圖平面精度限差要求），得出平面位置精度統計結果（如表1所示）：檢測中誤差≤10cm的有9塊，占60%；大于10cm小于20cm的有5塊，占33%；≥20cm的有1塊，占7%。15塊全部小于標準中誤差。

表1 平面位置誤差統計

（2）高程誤差統計。在15個樣本區用GNSS-RTK或全站儀采集377個高程檢測點與車載點云數據中的同名高程進行精度比對，以15cm作為中誤差限差（參照CJJ8-2017《城市測量規范》對1∶500地形圖高程精度限差要求），得出高程精度統計結果（如表2所示）：肇慶15塊掃描區域點云高程精度檢測中誤差≤10cm的有12塊，占80%；大于10cm小于15cm的有3塊，占20%；均小于15cm的限差要求。

表2 高程精度統計

根據點云數據平面、高程中誤差統計結果，點云數據成果的平面和高程精度能夠達到優于1∶1000比例尺地形圖成果（平地）的精度要求，說明在GNSS信號良好的情況下，獲取的點云成果可以用于檢測≥1∶2000比例尺精度要求的4D基礎測繪成果。

4 結語

本研究形成了車載激光掃描測量系統在測繪成果精度檢測中的方案及工藝流程，很大程度上提高了測繪成果驗收的效率和質量，為測繪產品質量監督檢驗中心搶占先機，推動和加快測繪成果驗收的精度檢測改革化進程，對提高驗收效率和質量具有重要意義。