車載移動測量系統(tǒng)在大比例尺地圖測量和更新中的應(yīng)用

張養(yǎng)安 李俊鋒 薛兆元 王秀霞

(1. 楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 楊凌 712100;2.西北測繪職工培訓(xùn)中心,陜西 西安 710054;3.國家測繪地理信息局第二地形測量隊(duì),陜西 西安 710054;4. 國家測繪地理信息局第一航測遙感院,陜西 西安 710054)

車載移動測量系統(tǒng)在大比例尺地圖測量和更新中的應(yīng)用

張養(yǎng)安1李俊鋒2薛兆元3王秀霞4

(1. 楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 楊凌 712100;2.西北測繪職工培訓(xùn)中心,陜西 西安 710054;3.國家測繪地理信息局第二地形測量隊(duì),陜西 西安 710054;4. 國家測繪地理信息局第一航測遙感院,陜西 西安 710054)

隨著科學(xué)技術(shù)和新的設(shè)備的發(fā)展，大比例尺測圖技術(shù)手段也在不斷的發(fā)展。從以前的手工繪制發(fā)展到半自動化成圖到全自動數(shù)字化成圖，從間接測量發(fā)展到直接測量，從被動測量發(fā)展到主動測量。本文研究將車載移動測量系統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)村宅基地確權(quán)發(fā)證1∶1000底圖更新的數(shù)據(jù)獲取，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算，自動化成圖，為以后在其它項(xiàng)目中使用該系統(tǒng)提供一些借鑒經(jīng)驗(yàn)。

移動測量系統(tǒng) 大比例尺測圖 更新

1 引言

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)速度的加快，對大比例尺地形圖的要求也越來越高，更新速度要求越來越快。城鎮(zhèn)大比例尺地形圖更新嚴(yán)重滯后，傳統(tǒng)的測繪手段很難滿足日新月異的城市變化。而移動測量技術(shù)的出現(xiàn)，因?yàn)槠渚哂袡C(jī)動靈活、快速高效、作業(yè)成本低、周期短、不受天氣的影響等特點(diǎn)，為城鎮(zhèn)大比例尺測圖和更新項(xiàng)目提供了一種新方法、新思路。

2 車載移動測量技術(shù)工作原理

車載移動測量系統(tǒng)通過搭載在不同類型汽車平臺上的具有定姿定位系統(tǒng)(GPS、POS、DMI)和測量傳感器(相機(jī)、激光掃描儀等)，可在移動中實(shí)現(xiàn)動態(tài)、實(shí)時(shí)獲取航跡周圍一定范圍內(nèi)目標(biāo)的地理空間數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。

早期的車載移動測量系統(tǒng)主要以相機(jī)為主要測量傳感器，隨著掃描速度、測量精度以及海量數(shù)據(jù)處理能力的不斷提高，激光掃描儀逐步成為車載移動測量系統(tǒng)的主要傳感器。隨著國產(chǎn)POS性能的穩(wěn)步提升，衛(wèi)星定位和組合導(dǎo)航系統(tǒng)組成的定姿定位系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地將激光掃描儀采集得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地傳遞為工程測繪部門需要的坐標(biāo)系統(tǒng)下三維空間坐標(biāo)，達(dá)到準(zhǔn)確測繪空間三維點(diǎn)位信息的目的。

當(dāng)前，車載移動測量系統(tǒng)的直接數(shù)據(jù)產(chǎn)品主要為：點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)景照片，DSM，DEM等。后處理之后能夠得到快速模型、特征點(diǎn)三維坐標(biāo)、高程點(diǎn)、精細(xì)三維場景快速瀏覽、精細(xì)三維街景等。

下面以SSW車載激光建模系統(tǒng)為例，簡單介紹一下車載移動測量系統(tǒng)，其主要組成如圖1所示。

SSW車載激光建模系統(tǒng)是由若干子系統(tǒng)組成的復(fù)雜的高度集成系統(tǒng)，主要分為激光掃描儀、組合導(dǎo)航系統(tǒng)、CCD相機(jī)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)及承載平臺這幾個(gè)核心組成部分，整個(gè)系統(tǒng)以精密穩(wěn)定的鋼架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高度集成。系統(tǒng)集成后臺面簡潔，體積小，可移動性強(qiáng)，操作簡單。

其中激光掃描儀為其坐標(biāo)測量模塊主要傳感器，主要為系統(tǒng)提供坐標(biāo)測量功能；組合導(dǎo)航系統(tǒng)又由全球?qū)Ш叫l(wèi)星GPS系統(tǒng)、慣性測量單元IMU(Inertial Measurement Unit)、距離測量指示器DMI(Distance Measurement Indictor,也稱為里程計(jì))三部分協(xié)同組成，用來準(zhǔn)確測定系統(tǒng)瞬時(shí)姿態(tài)和空間位置；CCD相機(jī)則通過采集道路兩側(cè)的地物影像獲取原始紋理信息；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)作為控制終端對各傳感器進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)配，控制時(shí)間及數(shù)據(jù)傳遞；供電系統(tǒng)則為各傳感器提供不同電壓的電力供應(yīng)；承載平臺提供各傳感器工作平臺，分為升降平臺和電動轉(zhuǎn)臺。各子系統(tǒng)按照嚴(yán)格的方位關(guān)系，高度集成于一體，協(xié)同工作。

車載升降平臺和電動轉(zhuǎn)臺是系統(tǒng)搭建的基礎(chǔ)平臺，升降平臺最高可以升到至10米高度，對于農(nóng)村成片低矮房屋聚集地區(qū)，將激光掃描儀升高至10米以上高度進(jìn)行轉(zhuǎn)掃得到的采集數(shù)據(jù)，能夠最大限度地滿足1∶500地形圖數(shù)據(jù)需求。車載平臺由全順車或其他車輛改裝而成，在車子后半部分安裝升降平臺并在頂部開窗。掃描系統(tǒng)安置在平臺上，工作時(shí)打開天窗，將系統(tǒng)升到車外，任務(wù)完成后收回車內(nèi)。這樣的設(shè)計(jì)安全、可靠，便于停放和遠(yuǎn)距離作業(yè)。系統(tǒng)通過電動轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)“轉(zhuǎn)掃”，使系統(tǒng)達(dá)到“定點(diǎn)”掃描的效果。與地面激光掃描儀不同的是，系統(tǒng)采用衛(wèi)星定位和組合導(dǎo)航系統(tǒng)來確定平臺的實(shí)時(shí)姿態(tài)，定點(diǎn)掃描采集得到的結(jié)果是海量的絕對空間三維坐標(biāo)點(diǎn)位信息，不再需要經(jīng)過繁瑣的拼站過程。

3 車載移動測量系統(tǒng)在大比例尺地形圖更新中的應(yīng)用

3.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

本次實(shí)驗(yàn)區(qū)為某市農(nóng)村宅基地確權(quán)發(fā)證，需要測繪1∶1000宅基地底圖，采集的要素主要為居民地要素及道路要素，面積為36平方公里，測區(qū)的原始底圖是利用2011年的影像采集制作的。由于影像比較老，城市變化較大，工期比較緊，如果采用數(shù)字化的方法進(jìn)行更新，工作量較大，需要投入的人力比較多；采用航測法進(jìn)行更新，投入的成本比較大，周期較長。測區(qū)主要分布在某市周邊農(nóng)村，居民地比較集中，房屋密集，均為低矮房屋，農(nóng)村道路大部分為硬化路面。經(jīng)研究，決定采用移動測量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3.2 技術(shù)流程

準(zhǔn)備工作—數(shù)據(jù)采集—點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算—坐標(biāo)轉(zhuǎn)換—大地定向—地物提取—地圖編制—外業(yè)調(diào)繪—外業(yè)檢查—數(shù)據(jù)輸出。

3.3 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)獲取是地形圖生產(chǎn)的源頭和上游，數(shù)據(jù)采集的精度決定了產(chǎn)品的質(zhì)量。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前，必須提前準(zhǔn)備好以下幾項(xiàng)工作：

根據(jù)測區(qū)范圍提前確定設(shè)計(jì)好行車的路線，避免設(shè)備長時(shí)間高負(fù)荷工作。路徑設(shè)計(jì)應(yīng)遵循兩個(gè)原則：首先要保證測區(qū)內(nèi)待掃描街道的全覆蓋，其次要盡可能地減少重復(fù)路段和無效路段的掃描。可以利用Google Earth軟件或奧維互動地圖軟件添加*.kml格式路徑文件，然后將*.kml格式文件導(dǎo)入導(dǎo)航儀或智能手機(jī)中，生成航線，如圖2所示。

作業(yè)開始前，要首先對設(shè)備進(jìn)行進(jìn)行檢查，以免影響正常作業(yè)。

準(zhǔn)備工作就緒后，就可以開始數(shù)據(jù)采集，主要流程如下：

(1)架設(shè)GPS基準(zhǔn)站。在已知控制點(diǎn)上架設(shè)GPS基準(zhǔn)站，量測儀器高，并記錄。基準(zhǔn)站盡量架設(shè)在開闊或高樓上信號沒有干擾的地方；如圖3。

(2)裝里程計(jì)；

(3)設(shè)備初始化。開啟控制臺，要是有軟件過期提示，掛起復(fù)位控制臺。(控制臺重啟，沒有提示軟件過期，進(jìn)行下一步)；

(4)開啟流動站BH-32CMP軟件，把時(shí)間延長到一百萬或一千萬(秒)，點(diǎn)擊開啟，(開啟之后，軟件運(yùn)行，有接收到數(shù)據(jù)，并存儲進(jìn)行下一步)；

(5)開啟相機(jī)，根據(jù)實(shí)際環(huán)境調(diào)節(jié)光圈，快門和ISO，使影像達(dá)到最佳效果；

(6)測試下激光是否正常(正常，進(jìn)行下一步)；

(7)開啟IMU初始化10～15分鐘(IMU初始化車上不能留人，除非能保證在車上靜止不動10～15分鐘，初始化完成進(jìn)行下一步)；

(8) 開啟激光和控制臺，采集什么數(shù)據(jù)選擇什么選項(xiàng)，試曝光一次正常，看激光有采集數(shù)據(jù)開車推掃；

(9) 推掃數(shù)據(jù)過程中，查看里程計(jì)數(shù)據(jù)和相機(jī)數(shù)據(jù)是否正常。(掃完數(shù)據(jù)，進(jìn)行下一步)。

3.4 數(shù)據(jù)結(jié)算

利用IE軟件對組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)，得到最終的組合導(dǎo)航結(jié)果。將激光掃描儀獲取的原始激光文件解析處理后，結(jié)合組合導(dǎo)航結(jié)果進(jìn)行解算，得到原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)和CCD獲取影像的配準(zhǔn)結(jié)果，生成彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.5 點(diǎn)云糾正

在生產(chǎn)過程中，為了進(jìn)一步提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度，可以利用已知點(diǎn)坐標(biāo)和已知點(diǎn)對應(yīng)的點(diǎn)云坐標(biāo)進(jìn)行點(diǎn)云改正。一般根據(jù)往返掃點(diǎn)云重合情況來判斷點(diǎn)云精度是否下降，在重合度不滿足要求的路段，增加控制點(diǎn)修正點(diǎn)云或者軌跡，提高精度。增加的控制點(diǎn)采用GPS或全站儀方式獲取。

本次實(shí)驗(yàn)中，共檢測了9個(gè)已知GPS控制點(diǎn)，其精度見表1：

表1

由此可見，本次采集的數(shù)據(jù)是能滿足1∶1000地形圖要求的，無需進(jìn)行點(diǎn)云糾正。

3.6 地物提取與編繪

點(diǎn)云數(shù)據(jù)瀏覽、分類、特征信息提取、矢量數(shù)據(jù)生產(chǎn)是利用系統(tǒng)自帶軟件DY-2點(diǎn)云工作站來完成。點(diǎn)云數(shù)據(jù)是依時(shí)間順序進(jìn)行采集的一些離散坐標(biāo)值，與目標(biāo)物的特征、結(jié)構(gòu)、屬性沒有任何關(guān)聯(lián)且數(shù)據(jù)量很大，而我們就是利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)來挖掘我們需要的地表數(shù)據(jù)。如圖4中就包含了我們需要的道路要素、房屋要素、獨(dú)立地物、管線要素等地形要素。

點(diǎn)云是離散的三維點(diǎn)的集合，數(shù)據(jù)量非常大，在生產(chǎn)過程中人工采集特征點(diǎn)和地物點(diǎn)時(shí)撲捉比較困難，窗口移動緩慢，難以直接對點(diǎn)云的幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和特征提取。地形復(fù)雜多變的情況下, 某一種過濾算法難以完成各種地物特征的提取, 必須根據(jù)不同的地形特征采用不同的過濾算法, 因此必須將多種過濾算法有機(jī)地結(jié)合在一起，目前，軟件的許多功能還在摸索中，自動化提取程度不高，地物的提取基本上是靠人工在提取，內(nèi)業(yè)工作量比較大，今后在自動化提取地物這方面應(yīng)該是移動測量系統(tǒng)一個(gè)主要研究方向。

地物點(diǎn)提取后，利用軟件接口轉(zhuǎn)換為*.DXF格式，直接導(dǎo)入南方CASS中進(jìn)行野外調(diào)繪，標(biāo)注相關(guān)的屬性信息，然后編繪成圖。如圖5、圖6所示。

3.7 精度統(tǒng)計(jì)

實(shí)驗(yàn)開始后，因?yàn)槭浅醮问褂靡苿訙y量車進(jìn)行大比例尺測圖，為了保證質(zhì)量，對第一天的數(shù)據(jù)使用GPS-RTK進(jìn)行了檢測，其檢測精度如表2所示：

表2

經(jīng)檢測，使用移動測量系統(tǒng)進(jìn)行該項(xiàng)目測量精度可以滿足成圖需要。

4 實(shí)驗(yàn)中遇到的問題及解決思路

4.1 遮擋問題

在實(shí)驗(yàn)的過程中，經(jīng)常會碰到遮擋、GPS失鎖、激光掃不到的情況，這也是大多數(shù)用戶所關(guān)心的問題。基于這一問題結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，主要有以下幾種方法可以參照使用：

(1)將設(shè)備移到小型電動三輪上，加上里程計(jì)，深入人行道或巷道里進(jìn)行掃描；

(2)采取高精度的IMU，可以允許較長時(shí)間的失鎖(隱蔽地區(qū)一般都是在失鎖狀態(tài)下)，每隔六分鐘離開隱蔽地區(qū)接收GPS信號再回到隱蔽地區(qū)掃描，可以獲得0.5m的定位精度；

(3)如果碰到大面積密集成片的居民地，可以結(jié)合地面激光掃面系統(tǒng)進(jìn)行定點(diǎn)掃描，這只是一個(gè)設(shè)想，實(shí)際生產(chǎn)中沒有實(shí)踐過。

4.2 點(diǎn)云瀏覽速度

實(shí)際操作過程中，經(jīng)常遇到點(diǎn)云瀏覽速度慢的問題。對于提高點(diǎn)云的流浪速度，有如下建議：

(1)通過提高計(jì)算機(jī)硬件配置，處理速度會明顯提高，不過這一方法不能解決根本問題；

(2)通過人工參與分析，刪除或剔除部分沒有用的點(diǎn)云，這樣能節(jié)省很大一部分空間，提高運(yùn)行速度；

(3)在不影響精度的前提下，采用過濾的方法，先過濾一部分點(diǎn)云。過濾點(diǎn)云時(shí)，最好是分區(qū)域過濾，數(shù)據(jù)量太大的話過濾速度非常慢，且容易出錯；

(4)可以充分利用圖像處理的一些方法, 如閾值分割等, 對點(diǎn)云特征圖像進(jìn)行分割和特征提取, 從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分類以及目標(biāo)提取。自動分類提取可以很好的解決這一問題，人工參與比較少。

4.3 點(diǎn)云獲取效率

在農(nóng)村作業(yè)時(shí)，由于農(nóng)村房屋大部分是低矮成群房屋，本次實(shí)驗(yàn)時(shí)將激光上升到10米的高度進(jìn)行轉(zhuǎn)掃，這樣激光基本上能把300米范圍內(nèi)的地物及院墻以內(nèi)的地物一次性全部掃描上，大大的加快了作業(yè)進(jìn)度。采用這一方法在行車的過程中，必須保持低速行駛，注意車上方的電力線等。

通過本次試驗(yàn)，這種方法在農(nóng)村地區(qū)能很好的發(fā)揮好其快速、機(jī)動等優(yōu)勢。

5 結(jié)束語

本文實(shí)驗(yàn)，結(jié)合生產(chǎn)，對車載移動測量系統(tǒng)在大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用展開研究，對應(yīng)用過程中遇到的問題進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了精度統(tǒng)計(jì)對比，取得了一定成功，為以后的生產(chǎn)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

作為一種新的測繪手段，許多應(yīng)用問題還在探索中，發(fā)展前景非常廣闊。主要應(yīng)用領(lǐng)域有：①城市快速建模；②公路、鐵路帶狀圖測量；③城市部件測量；④高分辨率定點(diǎn)慢速轉(zhuǎn)掃用于文物、古建筑、雕塑等的精細(xì)建模；⑤大比例地形圖修測與更新等。

車載激光移動測量系統(tǒng)的研究處于起步階段，許多功能還不是特別完善，仍有許多問題需要解決，有許多功能需要增加和完善。主要有以下幾個(gè)方面：

(1)地物提取軟件在測圖、分析等功能方面不夠完善，需要進(jìn)一步開發(fā)研究；

(2)點(diǎn)云數(shù)據(jù)量太大，瀏覽速度太慢；

(3)自動分類建模功能不完善，內(nèi)業(yè)成圖自動化程度不高，軟件還有待開發(fā)。

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Vehicle-mounted Mobile Mapping System Application in Large Scale Map Measurement and Update

ZHANG Yang-an1, LI Jun-feng2,XUE Zhao-yuan3, WANG Xiu-xia4

(1.Yangling vocational technical college,Yangling Shanxi 712100，China;2. Northwest employee training center of Surveying and mapping，Xi’an Shanxi 710054，China;3.The second topographic surveying brigade of SBSM，Xi’an Shanxi 710054，China;4.The First Institute of Photogrammetry and Remote Sensing，SBSM，Xi’an Shanxi 710054，China)

With the development of science technology and emergence of some new equipment, large scale mapping technology is also in constant development from manual drawing to semi-automated mapping to full automatic digital mapping, from the indirect measurement of development to the direct measurement, and from passive to active measurement development. This paper studies the mobile mapping system applied to the countryside homestead right certification 1∶1000 map updating data acquisition. The realization of point cloud data calculation, automatic mapping are carned out, in order to provide some references and experiences of using the system later in other projects.

mobile mapping system; large scale mapping; update

2016-05-26

P284

B

1007-3000(2016)06-5