移動測量系統在地形圖成果檢驗中的應用

焦字軍，景國峰，崔 濤，李文超，吳 迪

（1.山東正元數字城市建設有限公司，山東 煙臺 264670）

三維激光掃描技術是20世紀90年代中期出現的一項技術，車載三維激光移動測量系統是三維激光掃描技術的一次革新[1]。該系統由多種高精度傳感器組成，可快速獲取物體的三維點云信息和影像信息。在載體移動過程中，GPS系統負責實時獲取WGS84坐標，慣性導航系統自動獲取姿態信息；外業采集時，GPS接收機對慣導的姿態、三維激光掃描器獲取的點云信息以及全景相機獲取的高清影像進行處理，從而獲得高精度定位定姿數據和高密度三維點云數據。本文將三維激光移動測量系統應用于地形圖質檢工作中，解決了傳統檢測方法工作量大、人力成本高等問題。

1 設備概況

本次地形圖質檢工作采用武漢海達數云技術有限公司生產的ARS-1000L。硬件部分由激光掃描儀、慣導系統、全景相機和GNSS組成，搭載在SUV上（圖1），可實現三維激光點云數據獲取、紋理特征采集、定位定姿等功能，主要參數如表1所示；軟件部分由點云融合軟件、點云處理軟件、點云建模軟件、街景生產軟件、操控軟件等組成，可實現全景影像與三維點云獲取、車載軌跡解算、數據處理等功能。

表1 ARS-1000L系統參數

圖1 車載三維激光移動測量系統

2 檢驗方案

傳統地形圖成果檢驗的工作內容為數學精度檢查、數據與結構正確性檢查、地理精度檢查、整飾質量檢查和附件質量檢查，主要工作量集中于數學精度、地理精度的檢測。數學精度檢測主要利用全站儀、RTK對檢測點進行坐標采集，工作效率較低；地理精度檢測主要利用人工進行野外巡視，人工成本高。

陸玉祥[2]等研究了車載移動測量系統在大比例尺地形圖數學精度檢測中的應用；李俊[3]等研究了車載移動測量系統在大比例尺測圖中的精度控制；黃昌狄[4]等研究了移動掃描系統在1∶2 000地形圖成果檢驗中的應用，為質檢工作提出了新方案。本文結合傳統地形圖檢驗工作流程，提出了利用ARS-1000L三維激光移動測量系統代替傳統檢驗手段進行數學精度質量元素檢查、利用全景影像輔助地理精度檢查的方法，從而完成了對單位成果和批樣本的質量評定，有效提高了地形圖成果檢驗工作的效率。

2.1 方案設計

本文設計的質檢方案工作流程如圖2所示。

圖2 質檢流程圖

2.2 點云數據采集

進行外業數據采集前，首先需對測區進行踏勘，了解測區內的交通狀況；然后根據踏勘情況規劃采集路線；再按照規劃的采集路線進行數據采集，以40 km/h的速度行駛，確保點云密度滿足要求。數據采集流程如圖3所示。

圖3 數據采集流程圖

2.3 點云數據處理

數據處理工作主要包括POS解算、融合解算、全景拼接和數據預處理4個部分[5]。外業數據采集完成后，對POS軌跡數據進行解算，將基站數據和GPS數據轉換為融合軟件支持的文件格式，并生成POS格式文件；再對原始影像、點云數據、導航數據進行融合處理，獲取真彩點云數據，得到可量測的全景影像。數據預處理主要包括點云過濾、點云分類、影像與點云配準和數據格式轉換等過程[6-7]，利用HD_3LS_SCENE軟件完成點云數據從WGS84坐標系到CGCS2000坐標系的轉換、影像與點云數據的配準。三維激光點云數據如圖4、5所示。

圖4 三維激光點云（俯視）

圖5 三維激光點云（側視）

2.4 點云精度分析

2.4.1 測區概況

測區位于山東省臨沂市羅莊區，主要為村莊，面積為0.375 km2。本文分別利用三維激光移動測量系統和拓普康102N全站儀進行數據采集。

2.4.2 精度統計情況

本文共采集186個平面精度檢測點和135個高程精度檢測點，涉及6幅圖（1∶500比例尺）。根據GB/T 18316-2008《數字測繪成果質量檢查與驗收》的規定，高精度檢測時，中誤差的計算公式為：

式中，M為中誤差；n為檢測點個數；Δi為較差。

本文分別采用三維激光移動測量系統與拓普康102N全站儀對檢測點進行檢測，得到兩種方法的檢測結果如表2、3所示，可以看出，三維激光移動測量系統得到的成果平面中誤差達到1/3標準中誤差，高程中誤差達到1/5標準中誤差，與拓普康102N全站儀的采集精度相近，說明點云的精確度在誤差范圍內可作為真實數據，因此該方法可作為質量檢測的標準方法。

表2 三維激光移動測量系統檢測精度統計表

表3 拓普康102N全站儀檢測精度統計表

2.4.3 精度影響因素

移動測量系統的測量原理為極坐標法，即利用極坐標計算公式，通過激光器發射的水平方位角、豎直角、激光測距結果和激光器中心坐標4個數據計算得到待測點的空間三維坐標。待測點坐標的計算公式為：

式中，S為測距值；α為水平方位角；θ為豎直方位角；X、Y、H為激光器中心點坐標。

通過分析發現，影響精度的主要因素為：

1）測距精度。激光器測距精度直接影響系統整體測量精度，該精度無法通過有效的數學公式平差修正，因此點云數據采集工作應在廠家給定的測量距離范圍內才能保證測距精度。

2）測角精度。由極坐標公式可知，觀測距離越遠，測角精度對系統精度的影響越大，因此縮小觀測距離可提高測角精度。

3）激光器中心點坐標精度。影響定位結果的因素較多，主要受高層建筑遮擋、多路徑效應等影響，因此數據采集時應避開遮擋GPS信號的區域和大面積水域。

4）車速影響。車速不均勻將導致點云數據不均勻，進而直接導致后期點云數據采集不準確，因此應提前規劃好路線、控制好車速。

2.4.4 質檢效率對比

為了驗證三維激光移動測量系統進行地形圖質檢工作的效率，將其與傳統質檢工作的人工量進行對比分析，結果如表4、5所示，可以看出，利用三維激光移動測量系統進行地形圖檢驗在工作效率上有明顯優勢。

表4 移動測量系統人工統計表

表5 傳統方法人工統計表

3 結語

本文將三維激光移動測量系統應用于大比例尺地形圖檢驗工作中，對其數學精度與影響精度的因素進行了分析；并通過與全站儀等傳統檢驗方法進行對比，得到的結論為：①利用三維激光移動測量系統進行地形圖檢驗工作能滿足規范要求；②本文的測區范圍為6幅圖（1∶500比例尺），面積為0.375 km2，三維激光移動測量系統比傳統方法節省了5個人工，優勢并不明顯，但在大面積質檢工作中，三維激光移動測量系統在所需人工量方面具有較大優勢；③本文對三維激光移動測量系統在地形圖檢驗工作中的應用進行了分析、論證，能為地形圖檢驗項目提供一定的借鑒。