手持移動掃描儀在大比例尺地形圖中的應用

許艷博，楊林杰，王東旭，宗愛華

(1.北京市測繪設計研究院，北京 100038； 2.北京城建北方集團有限公司，北京 101301)

1 引 言

我國最早發現的古地圖可以追溯至戰國時期，距今已經有2300多年的歷史[1]。古地圖是以計里畫方法繪制，地物地貌采用寫景法表達。發展至清朝，以精密的天文、三角測量方式，并首次采用偽圓柱投影的方法，歷經十余載實地測繪，終于繪制完成了《康熙皇輿全覽圖》。古代地圖主要用于行政區域劃分和軍事戰爭。20世紀90年代，便攜機逐漸進入用戶市場，電子平板法測圖迅猛發展，大比例尺繪圖全面進入數字化時代[2]。

隨著科技的發展，國家治理體系和治理能力的現代化，地理信息產業迎來了新的機遇和挑戰[3]。提升測繪服務質量，推進實景三維建設，都要求測繪工作者對數據獲取手段進行革新。目前傾斜攝影測量技術可以應用于大范圍的城市、山區地形圖測繪[4]，但空域審批程序煩瑣、漫長。對于小區域的補測工作更顯得牛刀殺雞。三維激光掃描技術的不斷發展，不同適用類型的掃描設備應運而生[5]。結合GNSS技術的移動掃描儀，可以快速獲取建筑、街道、樹木等目標物的點云數據，但當GNSS信息受到干擾或遮擋時就無法保證掃描精度[6～8]。站式三維激光掃描儀因其掃描精度較高，所以在精密檢測、古建、文物保護等領域應用較多，但在面對室內格局復雜和室外大場景時，需要大量的加密站點才能保證拼接的精度，且后期處理的數據量龐大，工作效率大打折扣[9～11]。同步定位和地圖構建(simultaneous localization and mapping，SLAM)技術無須GNSS定位輔助，可以快速實現室內外復雜場景的地圖構建。本文利用GeoSLAM手持移動掃描儀采集前門東路區域點云數據，內業利用清華山維EPS軟件進行 1∶500圖繪制，并與傳統全站儀測量的數據進行精度對比分析。

2 數據采集及預處理

本文所采用的手持移動掃描儀由GeoSLAM公司研制，采用最新的SLAM算法，掃描速度快，精度高，徹底擺脫了GNSS信號的束縛，可以完成森林、礦井、高大建筑區及內部的三維數據采集。設備外觀如圖1所示，詳細參數如表1所示。

圖1 手持掃描儀外觀

表1 手持掃描儀參數

2.1 點云數據獲取

基于SLAM算法的點云定位拼接方式，會隨著掃描的推進而積累誤差，一般使用閉合環的方式對誤差進行修正[12]。前門東路測試區南北方向約 230 m，東西方向約 100 m，區域內包含街道、綠地、胡同及各類建筑設施，測試場景為典型的城市建成區地貌，可以更好地測試手持移動掃描儀的掃描效果與精度。掃描前利用GPS、全站儀、水準儀等測繪儀器按照二級導線進行布設平面控制點，并將控制點按四等精度聯測水準[13]。測試區及現場掃描情況如圖2所示：

圖2 測試區范圍及現場掃描情況

本次掃描點云數據需要進行坐標轉換，作業前須將基準板安裝在掃描儀手柄下方，基準板上有十字鏤空的標識，用來套合控制點。將掃描儀放置在固定地點，并做好標記，此位置為掃描起點。連接控制器并安裝電池，啟動處理器，此時掃描儀上的紅色跑馬燈亮起，接著按住控制器上的掃描儀啟動鍵，當聽見第二聲“滴”時松手，保持掃描儀靜置激活慣導單元(Inertial measurement unit，IMU)，激光頭轉動 5 s以后拿起掃描儀，斜背起處理器，按照規劃好的作業路線開始掃描。過程中途經控制點，將基準板十字鏤空中心套上控制點上方，靜置 5 s不動即可提取控制點位置信息。

手持移動掃描儀作業過程中應注意的事項：①單次掃描時間控制在 25 min以內，且應形成閉合環路來控制SLAM解算精度[14]。②掃描儀靜置激活IMU時應避免緊貼建筑物、墻角等，因為掃描有效測程大于 30 cm。③控制點布設應均勻分布測區，避免一條直線，最低不得少于3個[15]。④轉彎或場景變化(如進門出門、胡同轉入街道等)時，腳步略微放緩，不得快速變換掃描方向。⑤當測區需要分段掃描時，應保證不低于25%的重疊區域，且不少于2個公共控制點來完成坐標轉換。

掃描結束時將手持移動掃描儀放置到起始位置，靜置 5 s后結束掃描關機。本文掃描共用時 20 min，測試區點云如圖3所示：

圖3 測試區點云

2.2 點云數據預處理

將U盤插在手持掃描儀處理器上，DATA指示燈綠燈亮起，代表正在拷貝數據，綠燈熄滅代表點云原始數據拷貝完成。通過掃描儀自帶預處理軟件GeoSLAM Hub可以實現點云智能拼接，操作簡單，只需將原始掃描數據拖拽至GeoSLAM Hub解算窗口即可。軟件解算時間約為外業掃描時間的1.5倍，本次處理時間約 30 min。接著通過調整軟件包圍盒厚度檢查點云質量，重點查看點云是否分層。然后進行坐標轉換，確保Reference Point點號與導入控制點點號一一對應。控制點TXT文本格式：點號為字母與數據組合，坐標值x、y、z間用Tab鍵分隔。最后將坐標轉換完成的點云導出。導出的點云格式有5種，本文導出LAS格式，其他導出設置如圖4所示：

圖4 點云導出選項設置

掃描過程中，由于是全方位的掃描，還有移動的行人、車輛、震動、粉塵等干擾，會產生大量的數據冗余和噪點[16，17]，因此，本文利用Cyclone軟件對點云進行了剪裁、體外孤點刪除、降噪等處理。

3 地形圖繪制

清華山維EPS 3D Survey三維測圖軟件是以數據庫為核心，構建圖形與屬性共存的框架，實現地理信息與CAD的完美融合。繪圖過程中，透視圖、頂視圖、前視圖可以隨意切換，并且實現了多窗口、多視角的二三維聯動同步顯示和圖形繪制，如圖5所示。地形圖繪制的具體操作步驟如下：

圖5 二三維聯動繪圖

(1)新建EPS工程，并選擇1∶500測圖模板。

(2)將LAS格式的點云數據轉換成PCD文件格式。

(3)加載轉換完成后的PCD文件。

(4)按照《基礎測繪技術規程》(DB11/T407-2017)規定，對點云進行特征點、線、面的提取，繪制 1∶500地形圖。

(5)進行數據質檢，包括空間邏輯檢查、自交叉檢查、重疊地物檢查、等高線與高程點檢查等。

(6)地形圖輸出。地形圖成果如圖6所示：

圖6 大比例尺地形圖成果

清華山維EPS 3D Survey三維測圖通過實景點云展現外業實景，數據無遺漏，檢查更直觀，大大降低了外業的勞動強度。通過手持移動掃描的新技術方法將大量外業搬入室內，增強了惡劣環境的適應性。

4 精度驗證與分析

4.1 手持移動掃描儀精度分析

為了驗證手持移動掃描儀的平面坐標精度，選取覆蓋整個測試區范圍的20個平面特征點進行檢測，特征點為明顯的房屋角點和張貼于墻面的靶紙中心點。利用徠卡MS60全站儀對特征點進行換站換方位的雙極坐標測量，取兩次測量結果的平均值作為校核真值，閾值設置為 1 cm。點云中的角點和靶紙中心坐標在Cyclone軟件中手動進行提取，因為存在人工提取誤差，因此隨機選取6名作業員分別對特征點進行逐一提取，得到6組數據，取用平均值作為手持掃描儀的實測數據。手持移動掃描儀的平面精度如表2所示。

表2 手持移動掃描儀平面坐標數據對比

在點云中提取室外地坪、井蓋、路面、路燈基座等10個特征點作為高程檢測點，提取方法同平面檢測，利用水準儀直接聯測高程檢測點，高程精度統計如表3所示。

表3 手持移動掃描儀高程數據對比

4.2 結果分析

經過測試數據對比得到手持移動掃描儀的平面中誤差 0.041 m，高程中誤差 0.056 m。根據規范要求，城區地物點相對于臨近平面控制點的點位中誤差不應大于圖上 0.5 mm(0.5×M×10-3m，M為測圖比例尺分母)，高程不應大于 0.15 m，測試結果表明利用手持移動掃描儀測繪大比例尺地形圖滿足規范要求。通過對特征點提取過程發現，物體離掃描路線越遠點云越稀疏，提取誤差越大。

5 結 語

基于SLAM的手持移動掃描技術越來越成熟，應用領域也越來越廣。本文提出將手持移動掃描儀應用于大比例尺地形圖測繪，可以大幅提高外業效率、減少人員投入，海量點云數據將外業實景搬回舒適的室內，減輕了作業員的勞動強度，而且提高了成圖的精度和可靠性，一次采集的數據可以按不同用途重復提取地物信息。配合清華山維EPS 3D Survey三維測圖軟件，其集測圖、編輯、檢查于一體，實現了GIS與CAD在數據層面上的統一，提供了地物獨特快捷的繪制方法，使測圖工作向信息化、智能化轉變。