應用車載移動測量技術進行大比例尺測圖的方法

吳 波,楊曉鋒,陳宏強,李 俊,侯興澤

(國家測繪地理信息局第二地形測量隊,陜西 西安 710054)

應用車載移動測量技術進行大比例尺測圖的方法

吳 波,楊曉鋒,陳宏強,李 俊,侯興澤

(國家測繪地理信息局第二地形測量隊,陜西 西安 710054)

結(jié)合車載移動測量技術特點和測區(qū)實際情況,對外業(yè)掃描和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程進行了研究，并詳細闡述了利用點云和影像數(shù)據(jù)進行大比例尺地形圖制作與檢查的方法，最后與傳統(tǒng)測圖方法進行了比較。結(jié)果表明，車載移動測量技術可以滿足1∶1000地形圖測繪的精度要求，而且地形圖制作效率較傳統(tǒng)方法提高數(shù)倍。本文的研究可以為今后車載移動測量技術在大比例尺地形圖測繪中的應用提供參考。

車載移動測量；數(shù)據(jù)處理；大比例尺地形圖

大比例尺地形圖是城市和地區(qū)規(guī)劃建設時所需的重要資料，快速、高效、準確地獲取大比例尺地形圖一直是測繪領域關注的重點問題。車載移動測量技術作為一種先進的測量手段，國內(nèi)對其在大比例尺測量方面作了很多研究[1- 5]。本文以某地區(qū)1∶1000地形圖生產(chǎn)任務為背景，以北京四維遠見公司SSW車載移動測量系統(tǒng)為數(shù)據(jù)采集工具，通過實際的生產(chǎn)項目，對利用車載移動測量技術制作大比例尺地形圖的方法進行了研究并取得了一定成果，為今后利用移動測量技術進行大比例尺地形圖測繪提供了相關依據(jù)。

1 車載移動測量數(shù)據(jù)獲取與處理

1.1 項目背景

因某市地下管網(wǎng)改建需要，需沿規(guī)劃管網(wǎng)路線進行1∶1000地形圖測繪。該市規(guī)劃管網(wǎng)埋設線路長146 km，涵蓋的測區(qū)面積約10 km2，測區(qū)大部分位于市區(qū)中，測區(qū)包含學校、醫(yī)院、工廠、商場、居民區(qū)等人群密集區(qū)域，地面上需要進行測量的地物有建筑物、紅綠燈、污水篦子、路燈、綠化帶、鐵路、限高桿、廣告牌、臺階、攝像頭等，根據(jù)生產(chǎn)建設的需要，需在兩周內(nèi)完成地形圖繪制，利用傳統(tǒng)測量方法無法滿足要求，故選用車載移動測量技術進行測圖。

1.2 外業(yè)掃描方案設計

在外業(yè)數(shù)據(jù)采集之前，需設計好掃描方案，主要確定掃描路線、GPS基準站架設位置及掃描時間3項內(nèi)容。首先，依據(jù)管網(wǎng)路線埋設要求和掃描車的測量距離設計行駛路線，要求行駛路線必須覆蓋全部測區(qū)，而且為了使測量結(jié)果滿足1∶1000地形圖的精度要求，根據(jù)本文使用的測量車所搭載的激光掃描儀性能，測量車的行駛路線需設計在目標物體100 m范圍內(nèi)。其次，根據(jù)設計的行駛路線，確定GPS基準站架設位置，因本次配套使用天寶NetR9型測量系統(tǒng)，需保證基站在測量車10 km范圍內(nèi)。最后，為了確保測量數(shù)據(jù)的完整性和任務順利進行，盡量選擇道路上人員和車輛較少的時間進行測量[6]。

1.3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集時，按照外業(yè)掃描方案設計的路線和時間進行掃描，獲取測區(qū)的點云和全景影像數(shù)據(jù)。測量過程中車速保持在30 km/h左右，車輛行駛的同時記錄下行駛的軌跡。掃描完成后，通過對照軌跡和規(guī)劃路線檢查車輛是否按設計的路線行駛以確保掃描數(shù)據(jù)的正確性[7]。

1.4 車載移動測量數(shù)據(jù)處理

車載移動測量數(shù)據(jù)處理需分為以下兩部分進行。

1.4.1 點云數(shù)據(jù)生成

將GPS、IMU、DMI數(shù)據(jù)進行組合導航，獲得精確的移動測量車行駛軌跡，再通過與激光掃描儀數(shù)據(jù)進行整合[8]，獲得有精確位置信息的三維點云數(shù)據(jù)[9]。

1.4.2 合成全景影像

利用SSW影像數(shù)據(jù)處理軟件，將相機拍攝的照片進行抽稀改正，然后利用相機標定參數(shù)、影像姿態(tài)參數(shù)、行駛路徑將單個相機拍攝的照片合成為包含精確位置信息的測區(qū)影像[10]。

如圖1所示，利用車載移動測量技術可以獲取同一位置精確的三維點云和影像數(shù)據(jù)。

圖1 測區(qū)點云和對應位置影像

1.5 精度檢驗

在測量車獲取的點云數(shù)據(jù)成果中，選取一部分房屋拐點作為驗證精度的特征點[11]，與全站儀測量的結(jié)果進行比較[12]。通過比較可以看出，利用車載移動測量系統(tǒng)獲取的成果與全站儀測量的成果相差不大，大部分點坐標平面和高程差值符合實際要求，極少數(shù)差值較大的點利用控制點糾正后，精度也可以滿足1∶1000大比例尺測量的要求。

2 大比例尺地形圖成圖方法

制作地形圖時首先在SWDY點云工作站中對地物特征點和線進行提取，然后通過轉(zhuǎn)換導入CASS7.0中完成地形的編制。主要過程敘述如下。

2.1 特征線和特征點提取

點云導入SWDY中后，利用軟件的點云篩選和視角切換功能對點云進行過濾顯示，在過濾后的點云上完成特征線和點的采集[13]。例如，當采集路邊線數(shù)據(jù)時，可將高于路面的點云暫時過濾掉，僅利用路面部分點云進行特征線的采集。通過此種方法，可以較快地獲取建筑物、路邊線、綠化帶等特征地物的特征點和特征線，采集成果如圖2所示。

圖2 特征線采集效果

2.2 地形圖完整性檢查

在車載移動測量的點云數(shù)據(jù)中，一些單獨地物的點云數(shù)據(jù)混在海量的點云數(shù)據(jù)中不易識別，僅僅利用點云進行識別和采集很容易造成遺漏。為了解決該問題，本文通過將影像和地物矢量疊加的方法來發(fā)現(xiàn)遺漏的特征地物，以確保地形圖繪制的正確性和完整性[14]。

圖3所示即為利用影像檢查路燈采集情況的效果，其中圓圈內(nèi)的短線表示利用點云采集的路燈矢量，通過對比影像和矢量，可以十分方便地發(fā)現(xiàn)缺失的特征點和特征線[15]。

圖3 全景影像和路燈矢量疊加效果

2.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及成圖

當利用SWDY對所有地物的矢量信息采集完成后，每一種地物對應存儲在圖層中。要完成地形圖的繪制，首先利用SWDY自帶的轉(zhuǎn)換功能將地物信息轉(zhuǎn)換成Shape格式導入ArcGIS10.1中，然后利用ArcGIS10.1的轉(zhuǎn)換工具將它們導出為DWG格式文件，最后導入CASS7.0進行符號化等工作，最終生成的地形圖效果如圖4所示。

3 車載移動測量技術與傳統(tǒng)方法的對比分析

3.1 應用車載移動測量技術測圖較傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢

全站儀測量是大比例尺地形圖生產(chǎn)中常用的方法，與該方法進行對比車載移動測量技術主要有以下優(yōu)點：

(1) 測量所得點云數(shù)據(jù)為目標物體的完整信息。車載移動測量系統(tǒng)可以對測量車150 m范圍內(nèi)的地物進行掃描測量，在不存在遮擋的情況下，可完整地獲取掃描范圍內(nèi)地物的全部信息。與傳統(tǒng)方法相比，測量過程中不存在遺漏地物信息的情況，避免了因外業(yè)測量人員技術水平問題造成的地物信息缺失。

(2) 外業(yè)時間短，人力物力消耗較小。利用車載移動測量技術進行大比例尺測圖時，可以充分發(fā)揮該技術的優(yōu)越性，將工作效率提高5～6倍，且減少外業(yè)人員的投入。以本項目為例，該測區(qū)涉及的管線埋設線路共長146 km，外業(yè)采集工作員工5人中包括司機一名、GPS基站操作員2名、測量車操作人員2名，數(shù)據(jù)采集時間5 d約40 h。

(3) 特殊地物位置表達準確。移動測量車具有非接觸、主動式測量的特點，對于一些處在危險區(qū)域或人員不可到達地區(qū)的地物，只要在測量車的掃描范圍內(nèi)，就可以方便地進行測量，確保地物的測量精度。如對于高壓鐵塔、配電箱等危險地物，利用傳統(tǒng)方法進行測量時，很多時候人員不能到達其附近，造成地物位置表達不準確，而利用移動測量車對其進行測量時，在保證人員安全的同時，確保了特殊地物位置表達的準確。

(4) 數(shù)據(jù)顯示更加直觀，地形圖繪制更加準確。利用車載移動測量數(shù)據(jù)進行繪圖時，因為數(shù)據(jù)是三維數(shù)據(jù)，繪圖人員觀察點云的視角與身處實地觀察物體時看到的景象一樣，因此在采集特征信息時十分直觀；另外，利用點云疊加影像的功能，可以清晰地識別一些難以辨別的地物，確保地形圖繪制的正確性。

3.2 應用車載移動測量技術測圖較傳統(tǒng)方法的不足

車載移動測量技術應用在大比例尺測圖中，還有一些尚未解決的問題，主要體現(xiàn)在以下3個方面：

(1) 測區(qū)道路情況對移動測量車測圖影響較大。在本次測圖過程中，一些過于狹窄的路段移動測量車無法到達，造成數(shù)據(jù)采集的不完整；改用電動三輪車進行數(shù)據(jù)采集后發(fā)現(xiàn)，電動車的穩(wěn)定性較差，測量數(shù)據(jù)的精度較低。

(2) 由于受激光頻率的影響，采集井蓋等特征不明顯地物時容易遺漏。在城市中進行地形圖測量時，移動測量車的車速一般保持在20～30 km/h，激光掃描儀點頻為200 kHz，因此測量車50 m范圍內(nèi)的點云間隔一般在5～10 cm內(nèi)，這樣的點云密度對于地形圖中大部分物體表達十分清晰。但對于一些較遠部位的井蓋點云數(shù)據(jù)顯示并不明顯，繪圖時容易造成疏忽且不容易進行檢查和補漏。

(3) 數(shù)據(jù)處理過程復雜且工作量大。在此次作業(yè)過程中，每天數(shù)據(jù)的采集量在100 GB左右，數(shù)據(jù)傳輸和處理過程時間較長。且目前沒有統(tǒng)一的移動測量數(shù)據(jù)處理和繪圖軟件，處理一次數(shù)據(jù)需要使用6到7種軟件，處理結(jié)果還需經(jīng)轉(zhuǎn)換才能成為可使用的最終數(shù)據(jù)，整個過程較為繁瑣。

4 結(jié) 語

本文以某地區(qū)1∶1000地形圖生產(chǎn)項目為背景，通過將實際生產(chǎn)與全站儀測量進行對比發(fā)現(xiàn)，在測區(qū)道路情況較好的情況下，利用車載移動測量系統(tǒng)可以進行1∶1000地形圖的生產(chǎn)，并且在采集和繪圖速度上較傳統(tǒng)測量方法有較大優(yōu)勢，但單獨應用車載移動測量技術進行大比例尺地形圖測繪還有一定的局限性，未來還需作更進一步的研究。

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Method Research of Vehicle- borne Mobile Surveying Technology in Large- scaleTopographic Mapping

WU Bo,YANG Xiaofeng,CHEN Hongqiang,LI Jun,HOU Xingze

(The Second Institute of Topographic Surveying, National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation, Xi’an 710054, China)

Combining the technology of vehicle- borne mobile surveying with surveying area’s practical situation, the process for filed scanning and data processing are researched. Then the method of inspection and producing of large- scale topographic map by using point cloud and image is expounded in detail. After that, this paper contrastes the vehicle- borne mobile surveying technology with the traditional ways. Result shows that the vehicle- borne mobile surveying technology can satisfy the accuracy of surveying and mapping of 1∶1000 topography map, and the topographic map production will be more efficient by using it. This paper will provide some reference for the application of vehicle- borne mobile surveying technology in large- scale topographic mapping.

vehicle- borne mobile surveying; data processing; large- scale topographic mapping

2016- 07- 15；

2017- 01- 24 作者簡介： 吳 波(1988—)，男，助理工程師，主要研究方向為點云數(shù)據(jù)處理與應用。E- mail：282862746@qq.com

吳波,楊曉鋒,陳宏強,等.應用車載移動測量技術進行大比例尺測圖的方法[J].測繪通報，2017(3)：80- 82.

10.13474/j.cnki.11- 2246.2017.0089.

P237

A

0494- 0911(2017)03- 0080- 03