基于徠卡Pegasus：Two移動激光掃描系統(tǒng)的地形圖測繪

馬錦山，金萬軍，郭德福

(西寧市測繪院，青海 西寧 810001)

基于徠卡Pegasus：Two移動激光掃描系統(tǒng)的地形圖測繪

馬錦山*，金萬軍，郭德福

(西寧市測繪院，青海 西寧 810001)

隨著時代的發(fā)展，人們對測繪產品的精度和更新速度越加關注，傳統(tǒng)測繪已經遠遠不能滿足社會發(fā)展的需求，而且讓機器代理人的勞動不僅會減少成本更會增加效率。本文主要介紹如何運用徠卡Pegasus：Two移動激光掃描系統(tǒng)做地形圖測繪，并通過比對來檢查它所能達到精度，看是否能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測繪方式，實現外業(yè)向內業(yè)的轉型。

地形圖測繪；移動激光掃描；EPS

1 引 言

傳統(tǒng)的地形圖測繪，需要大量的測繪人員和設備(GNSS和全站儀)，按照一定的編排組或自己特殊的工作方式組，到項目現場進行測繪工作。隨著社會的發(fā)展，人們對測量工作精度和效率的要求也越來越高，傳統(tǒng)的測繪方式已經無法跟上社會發(fā)展的腳步。移動車載掃描系統(tǒng)具有快捷、方便、準確、動態(tài)、實時、全數字化、靈活、非接觸等特點，可以迅速獲取對象物體的空間三維數據，同傳統(tǒng)的測量方式相比，其獲取數據的特點和方式，彌補了傳統(tǒng)測量方法的弊端。譬如利用該項技術對某一區(qū)域掃描，采集點位密度大，數據信息豐富，可以真實反映現實環(huán)境，實現精細化測繪，同時帶來工作效率提高，勞動強度降低，測繪投入費用減少等諸多好處[1～3]。

西寧市測繪院于2017年引進了徠卡Pegasus：Two移動激光掃描系統(tǒng)，此裝備已經開始試運行，可安裝在汽車、火車，對不同類型的環(huán)境、地形快速移動掃描，尤其是在地形圖測繪、道路橫斷面分析中發(fā)揮了重要的作用。移動測繪系統(tǒng)使用的徠卡Pegasus：Two移動激光掃描系統(tǒng)通過非接觸獲取豐富的海量點云數據，方便我們對相關需要的信息提取，繪制出需要的地形圖，本次我們選擇湟中縣迎賓路作為測試掃描對象進行作業(yè)。

2 作業(yè)原理

移動式激光掃描系統(tǒng)，是基于車載平臺，由全球定位系統(tǒng)(GNSS)、慣性導航系統(tǒng)(IMU)、車輪里程計、全景相機系統(tǒng)結合站載式三維激光掃描系統(tǒng)組合而成的。外業(yè)采集過程中，利用GNSS全球定位系統(tǒng)以最高可達 20 Hz的頻率實時獲取系統(tǒng)當前位置，IMU慣導系統(tǒng)以 200 Hz的頻率實時獲取系統(tǒng)姿態(tài)角、加速度，輔以DMI車輪里程計獲取車輛行駛距離，加上同一時段的靜態(tài)GNSS基站或CORS參考站觀測數據，采集完成后通過后差分解算處理，得到系統(tǒng)的精確運行軌跡。有了每一時刻的軌跡位置以及連續(xù)記錄的相機影像和三維激光掃描點云，在軟件中自動匹配對應時刻的軌跡位置和姿態(tài)，最終生成精確的帶有絕對位置的三維點云和全景影像，點云上每一點都具有絕對位置坐標。

激光測距是三維激光掃描技術的核心，三維激光掃描的工作過程，實際上就是一個不斷重復的數據采集和處理的過程。從獲取掃描反射接收的激光強度，對掃描點進行顏色灰度的匹配。對于激光掃描儀而言，采樣點是系統(tǒng)局部坐標，以掃描儀的軸系中心為坐標原點，一般X、Y軸在局部坐標系的水平面上，Y軸常為掃描儀掃描方向，Z軸為垂向方向。由此，可得掃描目標點P的坐標(XS、YS、ZS)的計算公式[4～5]，如圖1所示：

圖1 三維激光掃描基本原理

3 技術路線

利用所獲取的密集的點云數據，在AutoP自動數據處理軟件中進行數據處理，然后利用處理好點云數據通過Mapfactory地理信息提取軟件，可半自動的生成道路線形、路燈、廣告牌、道路斷面等，看著影像成圖，根據不同要素建立圖層，并作線畫圖。將這些圖層導入到清華山維EPS軟件中換碼即可，具體流程如圖2所示：

圖2 工作流程圖

3.1測前規(guī)劃

應用徠卡車載三維激光掃描系統(tǒng)測量之前，最重要的一步就是規(guī)劃，規(guī)劃的好壞直接影響到工作的效率和成果的精度。規(guī)劃主要包括對路線、車速、控制點、基站等。路線規(guī)劃就是對整個測區(qū)的道路走向要深入了解，在測區(qū)附近要尋找天空開放的、車輛可以繞8字的場地進行初始化校準，在校準和開始掃描作業(yè)前要盡量保證GNSS信號良好，盡量不要通過樹木遮擋嚴重，或隧道等影響信號的地方。同時要考慮測區(qū)每 10 km～20 km半徑要架設至少一個GNSS基站或CORS站，基站架設的位置要開闊，要離信號塔等有信號干擾的地方至少 200 m，若測區(qū)范圍內有大于 80 m的隧道需要規(guī)劃布設控制點。一切規(guī)劃做好和校檢場地選好后就可以開始外業(yè)數據采集。

3.2外業(yè)數據采集

首先進行設備安裝，一般需要3人～4人。將主機抬至車頂行李架橫桿上，用螺栓和墊片固定；再將電池箱放置于后備廂中，用一根電源線纜連接電池箱和主機即可，安裝設備如圖3所示。

圖3設備安裝圖

圖4 外業(yè)掃描流程示意圖

其次，按照外業(yè)掃描方案設計的路線和時間進行掃描，一般需要1名司機、1名～2名采集技術員。采集開始前，首先需要進行系統(tǒng)初始化，GNSS靜態(tài)觀測 5 min，接著進行車輛繞行8字，加、減速等步驟，目的是聯合校準GNSS與慣導系統(tǒng)。初始化完成后，即可前往測區(qū)路線開始測量。采集完成后，前往開闊地帶，GNSS靜態(tài)觀測 5 min，結束時可視測區(qū)衛(wèi)星信號情況而選擇是否進行8字繞行。至此，可結束當前測量任務，或繼續(xù)進行下一測量任務。任務采集期間推薦速度為 10 km/h～60 km/h；避免長時間停車，禁止倒車；車輛盡量保持在道路中央，遠離路旁樹木建筑，最大程度避免GNSS信號遮擋；遇到大型車輛，盡量超車或避讓，避免掃描儀遮擋。外業(yè)掃描設計方案如圖4所示：

3.3車載移動測量數據處理

車載移動測量數據處理需分為以下幾部分進行。

(1)軌跡解算

軌跡解算應用徠卡測量系統(tǒng)的IE(Inertial Explorer)軟件，IE是用于軌跡位置及姿態(tài)解算的軟件，由NovAtel提供。精確解算軌跡位置、速率及姿態(tài)，滿足各項應用的需求。通過緊密耦合集成GNSS、IMU慣導、DMI里程計數據，Inertial Explorer可以提供精確的結果。IE操作簡便，處理結果有較大的改善。圖5是解算后的軌跡，通過圖6軌跡結算成果文件可以看出精度達標。

圖5 解算后的軌跡

圖6 解算后的軌跡文件

(2)AutoP點云和影像數據處理

Leica AutoP(Pegasus Automatic Processing)是徠卡測量系統(tǒng)專門用于Pegasus車載測量系統(tǒng)原始數據處理的軟件，如圖7所示。它可以一鍵全自動掛機處理采集的數據，同時生成影像、點云、導出數據，操作簡便，功能豐富，內容包括：提取影像數據、生成外方位元素，提取激光數據、生成激光點云，拼接360°全景照片，點云RGB著色，還支持導出其他標準格式的影像和點云。圖8是AutoP處理完的點云和影像的效果圖。處理完的成果坐標為WGS84坐標，如果需要本地坐標則可以通過infinity軟件將點云數據和影像數據通過點對校正的方式轉換成本地坐標。

圖7 AutoP中處理

圖8 點云數據和影像數據對比

(3)在Mapfactory中做線畫

將AutoP中處理完的結果加入到Mapfactory中后，不同的地理要素創(chuàng)建不同的圖層并進行線畫。主要是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，當采集路邊線數據時，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，對于路燈廣告牌等設施在Mapfactory可以實現半自動的提取，大大減少了內業(yè)處理的時間。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，同時，為了避免遺漏或者看不清部分點云數據時可以將影像數據疊加進來，邊看影像邊畫。最后按圖層導成.shp格式。如圖9所示為做出的成果圖：

圖9 Mapfactory中的線畫圖

圖10 最終成果圖

圖11 精度對比圖

(4)在EPS中換碼

EPS軟件是我院統(tǒng)一的制圖及入庫平臺。將導出來的shp格式數據導入到EPS中，并根據不同的層進行換碼構面[6]，并導出edb格式的地形圖，如圖10所示為最終成果。將成果數據加載到之前用全站儀的采集的 1∶500地形圖成果數據中對比可以看出最高精度可以達到 1 cm，總體精度能夠保證在 5 cm以內，基本上滿足 1∶500地形圖測繪，如圖11所示。

4 結 語

相較于傳統(tǒng)測量，徠卡PegasusTwo移動激光掃描系統(tǒng)，不僅能獲得更密集的點位坐標數據，還極大地節(jié)省了人力和物力的投入。隨著時代的發(fā)展傳統(tǒng)測繪勢必將會被新型的測繪產品所取代。將外業(yè)轉化為內業(yè)已經是種趨勢，通過上述精度我們發(fā)現三維激光掃描儀將會加快這一趨勢[7]。大數據時代，我們將會用徠卡PegasusTwo移動激光掃描系統(tǒng)獲取海量的地理信息數據，不斷研究它所能提供的測繪產品，為政府和社會提供更快速、更準確的測繪地理信息產品。

[1] 張攀科，裴亮，王留召等. 車載激光掃描系統(tǒng)在地籍測量中的應用[J]. 測繪科學，2015，39(9)：163～166.

[2] 吳曉章，謝宏全，谷風云等. 利用激光點云數據進行大比例尺地形圖測繪的方法[J]. 測繪通報，2015(8)：90～92.

[3] 韓尚. 車載LiDAR用于軌道線帶狀圖測量的高程精度分析[J]. 測繪通報，2016(3)：70～72.

[4] 侯亞娟，葛中華. 車載移動測量系統(tǒng)在大比例尺地形圖質檢工作中的應用研究[J]. 測繪通報，2015(11)：60～63.

[5] 楊伯鋼，韓友美. 車載移動激光掃描技術大比例尺測圖技術分析[J]. 測繪科學，2013，37(1)：106～108.

[6] 梁玉斌. 面向建筑測繪的地面激光掃描模式識別方法研究[D]. 武漢：武漢大學，2013

[7] 李蕓. 機載激光雷達(LiDAR)的數據處理和山區(qū)脊谷特征提取研究[D]. 西安：長安大學，2013.

BasedontheLeicaPegasus：TwoMobileLaserScanningTopographicSurveyoftheSystem

Ma Jinshan，Jin Wanjun，Guo Defu

(Xining Institute of Surveying and Mapping，Xining 810001，China)

With the progress of time，accuracy and speed of surveying and mapping products are getting more and more attention. While traditional surveying and mapping cannot satisfy the requirement of social development，machine agents labor will not only reduce the cost but also increase the efficiency. This paper mainly introduces how to use the leica Pegasus：Two mobile laser scanning systems for topographic survey，which can achieve its accuracy by checking and comparison，finding whether can replace the traditional way of surveying and mappying in the field of industry transformation.

topographic survey；mobile laser scanning；EPS

1672-8262(2017)05-119-04

P234.4

B

2017—07—15

馬錦山(1992—)，男，助理工程師，主要從事三維激光掃描應用研究。