ScanLook激光雷達(dá)系統(tǒng)在大比例尺測圖中的應(yīng)用測試

董軍

(銀川市勘察測繪院，寧夏 銀川 750000)

ScanLook激光雷達(dá)系統(tǒng)在大比例尺測圖中的應(yīng)用測試

董軍*

(銀川市勘察測繪院，寧夏 銀川 750000)

隨著測繪技術(shù)的不斷發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用研究，對于便攜式移動三維掃描系統(tǒng)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，能否滿足城市勘測中大比例尺測圖精度要求，本文對ScanLook激光雷達(dá)系統(tǒng)分別采用車載、肩背作業(yè)方式進(jìn)行了項(xiàng)目應(yīng)用測試。筆者結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證分析了ScanLook 系統(tǒng)在大比例尺測圖中的適用性，供相關(guān)人員參考借鑒。

大比例尺測圖；ScanLook系統(tǒng)；三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)；精度；應(yīng)用

1 引 言

傳統(tǒng)的大比例尺地形圖測繪是利用全站儀、GPS接收機(jī)等儀器進(jìn)行野外采點(diǎn)，這些作業(yè)方式都是通過單點(diǎn)測量的方式獲取單點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)，而三維激光掃描則可以實(shí)現(xiàn)自動、連續(xù)、快速地獲取目標(biāo)物體表面的密集采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，即點(diǎn)云數(shù)據(jù)；實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)的點(diǎn)測量跨越到了面測量，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍；同時(shí)，獲取信息量也從點(diǎn)的空間位置信息擴(kuò)展到了目標(biāo)物的紋理信息和色彩信息[1]。三維激光掃描系統(tǒng)根據(jù)承載平臺可劃分為機(jī)載型激光掃描系統(tǒng)、地面型激光掃描系統(tǒng)、手持型激光掃描儀三類，而地面型激光掃描系統(tǒng)又可分為移動式掃描系統(tǒng)和固定式掃描系統(tǒng)兩類。本文就便攜移動式LiDAR系統(tǒng)ScanLook V系統(tǒng)在車載、電動車、肩背不同模式下作業(yè)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過RTK測量、全站儀測量方式進(jìn)行了數(shù)據(jù)比對測試，檢驗(yàn)了系統(tǒng)在大比例尺空間信息獲取方面的精度可靠性，分析了其在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用范圍。

2 ScanLook系統(tǒng)介紹

北京金景科技有限公司的超輕便攜式LiDAR ScanLook V-IV系統(tǒng)全重 2.5 kg，重量輕，體積小，便于攜帶，可背包攜帶工作，不同移動平臺間可以輕松切換，無論無人機(jī)、汽車、船、電動車還是肩背均可輕松作業(yè)，掃描速率為70萬點(diǎn)/s，實(shí)現(xiàn)了空間信息獲取室外全覆蓋，如圖1～圖3所示。

圖1 ScanLookV-IV系統(tǒng)

圖2 ScanLookV-IV系統(tǒng)車載照片

2.1 ScanLook系統(tǒng)組成

便攜式移動平臺激光雷達(dá)(LiDAR)作為移動測繪系統(tǒng)，整合多種激光雷達(dá)掃描儀，慣性導(dǎo)航組件以及GPS定位天線。系統(tǒng)將各組成傳感器與控制系統(tǒng)進(jìn)行了高效的優(yōu)化與整合，依靠控制軟件的整體協(xié)調(diào)與同步，使系統(tǒng)具有了在高速移動狀態(tài)下采集高精度三維地理信息數(shù)據(jù)的能力。

系統(tǒng)主要包括以下幾個組成部分：

(1)硬件部分：

①POS系統(tǒng)

②電源連接線

③電腦控制芯片

④數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)

(2)配合使用傳感器探頭與移動配件

①激光掃描儀

②移動設(shè)備支架

(3)控制與處理軟件

①軌跡解算軟件Inertial Explorer

②點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算后處理軟件ScanLook Export(PointCloudExport)

其中POS系統(tǒng)標(biāo)配包括IMU(慣性測量單元)、GNSS接收機(jī)與GPS天線部分。

2.2 ScanLook系統(tǒng)原理簡介

經(jīng)過整合的移動掃描系統(tǒng)將激光掃描儀、IMU、GNSS天線通過中央處理器和USB數(shù)據(jù)線合成一個整體，進(jìn)而使系統(tǒng)每個時(shí)刻數(shù)據(jù)協(xié)同一致。采集完數(shù)據(jù)后，在本地計(jì)算機(jī)上用專業(yè)軟件(ScanLook Export)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步過程，數(shù)據(jù)同步過程分為時(shí)間的同步、回波與發(fā)射信號的匹配、計(jì)算回波和目標(biāo)點(diǎn)的大體位置和位置信息的精確校正4個步驟。

圖4 ScanLook系統(tǒng)工作簡圖

GPS和IMU采集的數(shù)據(jù)用來進(jìn)行組合導(dǎo)航，獲取系統(tǒng)每個時(shí)刻的姿態(tài)和位置數(shù)據(jù)。激光掃描儀用來獲取目標(biāo)地物的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，結(jié)合姿態(tài)數(shù)據(jù)融合生成帶有絕對坐標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.3 ScanLook系統(tǒng)相關(guān)軟件

(1)軌跡解算軟件IE(Waypoint Inertial Explorer)

Waypoint Inertial Explorer(簡稱IE)，是由NovAtel公司發(fā)布，ScanLook系統(tǒng)專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件，用于處理INS、GNSS天線數(shù)據(jù)，解算軌跡，結(jié)合基站數(shù)據(jù)做后差分處理。

(2)點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算后處理軟件ScanLook Export(PointCloudExport)

ScanLook Export由金景科技自主研發(fā)，可結(jié)合軌跡坐標(biāo)解算三維激光掃描儀數(shù)據(jù)，最終生成附有絕對坐標(biāo)值的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)項(xiàng)目應(yīng)用測試分析

為了驗(yàn)證Scanlook便攜式激光雷達(dá)系統(tǒng)的便攜性、易用性、精度可靠性和數(shù)據(jù)處理方法，在金景科技有限公司技術(shù)人員配合下，分別對ScanLook系統(tǒng)在車載、電動車、肩背不同搭載平臺下作業(yè)方式，以實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目為基礎(chǔ)，進(jìn)行了多個項(xiàng)目種類的測試，并利用已有數(shù)據(jù)、RTK采集、全站儀測點(diǎn)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)比對，對Scanlook系統(tǒng)在大比例尺測圖中成果精度進(jìn)行了驗(yàn)證。3.1 車載方式數(shù)據(jù)測試

銀川市繞城高速全長約80 km，在數(shù)字銀川數(shù)據(jù)修測項(xiàng)目中需要對高速路上的路燈及道路指示牌進(jìn)行更新測量，由于在高速路上采用傳統(tǒng)測量手段作業(yè)，人員及儀器安全有隱患，單位利用車載Scanlook系統(tǒng)對繞城高速全段進(jìn)行了三維激光掃描，由于高速中間有綠化隔離帶，故采用內(nèi)環(huán)與外環(huán)分開采集模式，共用時(shí) 4 h，獲取了全長 160 km(內(nèi)外環(huán)各 80 km左右)的空間信息數(shù)據(jù)。

將YCCORS系統(tǒng)中的基站成果作為已知點(diǎn)，下載了同步Renix觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)行了數(shù)據(jù)的解算分析。輸出軌跡精度質(zhì)量總體精度優(yōu)于3 cm，點(diǎn)云質(zhì)量數(shù)據(jù)獲取全面，符合項(xiàng)目成果輸出要求，如圖5、圖6所示。

圖5 銀川環(huán)城高速外環(huán)線軌跡精度分析圖

圖6銀川繞城高速整體輸出點(diǎn)云截圖

在全面獲取銀川市環(huán)城高速內(nèi)外環(huán)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用點(diǎn)云后處理軟件TerroSolid進(jìn)行1∶500線劃地形圖的采集，獲取全路段道路邊線，車道線，隔離帶邊線等數(shù)據(jù)成果，并提取路燈及道路標(biāo)示牌等地物，采集了道路高程點(diǎn)信息。

采集成果與2009年地形圖及2015衛(wèi)星影像進(jìn)行套合檢測，基本精度誤差均在 15 cm以內(nèi)，符合1∶500地形圖成圖要求[2]。最終證明采用車載方式進(jìn)行大范圍公路帶狀測量中，使用金景科技ScanLookLiDAR系統(tǒng)能夠達(dá)到最終項(xiàng)目作業(yè)與成果要求。

3.2 背包方式數(shù)據(jù)采集測試

在銀川市某項(xiàng)目用地測繪中，由于園區(qū)內(nèi)的道路條件限制，大型車輛通行不便，測試使用電動車采集結(jié)合背包行走的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。

外業(yè)利用激光掃描儀進(jìn)行作業(yè)之前，在開闊硬質(zhì)路面利用膠帶在地面上粘了部分 50 cm×50 cm黑白相間的紙板，作為精度檢核的點(diǎn)位。使用RTK對布設(shè)點(diǎn)位和一些識別容易的明顯地物點(diǎn)采集三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度對比。個別驗(yàn)證點(diǎn)的平面坐標(biāo)在點(diǎn)云里無法精確判斷，只比對了高程，如表1、表2所示。

數(shù)據(jù)測試對比表 表1

精度統(tǒng)計(jì)表 表2

根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目中精度測試結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，在有植被覆蓋遮擋區(qū)域，要素的輪廓不易準(zhǔn)確判讀采繪；建筑物背后無激光點(diǎn)區(qū)域，還需結(jié)合其他測繪技術(shù)進(jìn)行修測；對于植被覆蓋較密集區(qū)域，存在激光點(diǎn)未穿透地面的情況，還要對高程進(jìn)行甄別，防止采集錯誤高程數(shù)據(jù)[3]。ScanLook移動式LiDAR系統(tǒng)三維激光掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)平面中誤差 4.1 cm，高程中誤差 4.7 cm，依據(jù)CH/T 9008.1-2010《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶500、1∶1 000、1∶2 000數(shù)字線劃圖》的相關(guān)規(guī)定[4]，ScanLook移動式LiDAR系統(tǒng)所獲取的原始基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的點(diǎn)云精度可以達(dá)到項(xiàng)目實(shí)施所要求的 1∶500地形圖的成果精度要求。

4 結(jié) 論

通過項(xiàng)目生產(chǎn)應(yīng)用的具體測試，驗(yàn)證了ScanLook移動式LiDAR系統(tǒng)在城市勘測大比例尺地形圖中的可利用性。比起傳統(tǒng)測繪方式，ScanLook移動式LiDAR系統(tǒng)測量更為方便快捷，1 km2數(shù)據(jù)在半天時(shí)間內(nèi)即可完成外業(yè)采集，大大節(jié)省了外業(yè)工作時(shí)間，減少了人員投入?？梢愿鶕?jù)不同的測區(qū)情況 ，選擇車載、肩背等多種不同的作業(yè)方式進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了測繪的高效化。由于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特殊性，外業(yè)采集的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)冗余量大，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理繁瑣，點(diǎn)云判讀較為困難，這些都制約著激光LiDAR系統(tǒng)在城市測圖中的發(fā)展應(yīng)用。如何改進(jìn)升級點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件，增加一些人機(jī)交互式的軟件處理功能、半自動化提取地物功能、配合全景影像成圖、加快點(diǎn)云瀏覽處理速度等，只有實(shí)現(xiàn)了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的易操作性，才能使三維激光掃描儀在城市大比例尺地形圖中實(shí)現(xiàn)真正意義上的廣泛應(yīng)用[5]。

[1] 謝宏全，侯坤. 地面三維激光掃描技術(shù)與工程應(yīng)用[M]. 武漢：武漢大學(xué)出版社，2013.

[2] GB/T 24356-2009. 測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收[S].

[3] 劉萬華，劉超祥，原野等. 基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)測繪大比例尺地形圖的研究與應(yīng)用[J]. 城市勘測，2015(2)：9～12.

[4] CH/T 9008.1-2010. 基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶500、1∶1000、1∶2000數(shù)字線劃圖[S].

[5] 宮鵬，黃華兵. 激光雷達(dá)技術(shù)在我國地形測圖中應(yīng)用前景廣闊[J]. 地理信息世界，2008(12)：6.

Application Testing of the ScanLook Laser Radar System in Large-Scale Surveying and Mapping

Dong Jun

(Surveying and Mapping Institute of YinChuan City，NingXia 750000，China)

With the continuous development of surveying and mapping，the 3-dimensional laser scanning technology is applied to it. To test whether the point cloud data collected by the portable mobile 3-dimensional scanning system can meet the precision requirements of large-scale urban surveying and mapping，this paper tests the projects application with the ScanLook laser radar system on vehicles and on shoulders respectively. The author verifies and analyzes the applicability of ScanLook system in large-scale surveying and mapping through practical applications. The conclusion can be used as a reference for relevant personnel.

large-scale surveying and mapping；scanLook system；point cloud data of 3-dimensional laser；precision；application

1672-8262(2016)06-76-04

P237

B

2016—09—04

董軍(1972—)，男，高級工程師，主要從事土地勘測、城市測繪工作。