車載移動三維激光掃描技術(shù)高程精度研究

張麟

摘? 要：隨著時代發(fā)展，掃描技術(shù)的不斷前進(jìn)，車載移動三維激光掃描技術(shù)也出現(xiàn)在人們的視野之中。文章將使用實(shí)例數(shù)據(jù)，通過與傳統(tǒng)方式的對比研究，對車載移動三維激光掃描技術(shù)的高程精度進(jìn)行研究，探索其在智慧城市建設(shè)中使用的可行性。

關(guān)鍵詞：車載移動三維激光掃描技術(shù);三維控制點(diǎn);點(diǎn)云糾正

中圖分類號：P225.2? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）08-0144-02

Abstract： With the development of the times and the continuous progress of scanning technology， vehicle-borne mobile three-dimensional laser scanning technology also appears in people's field of vision. This paper will use the example data， through the comparative study with the traditional way， to study the elevation accuracy of the vehicle mobile 3D laser scanning technology， and explore the feasibility of its use in the construction of intelligent city.

Keywords： vehicle moving 3D laser scanning technology; 3D control point; point cloud correction

引言

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，規(guī)劃與設(shè)計對于城市數(shù)據(jù)的使用更為精確，道路數(shù)據(jù)的使用也越來越精細(xì)，城市道路建設(shè)的長度也越來越長，如何快速準(zhǔn)確地提取城市道路高程數(shù)據(jù)也是當(dāng)務(wù)之急。

就傳統(tǒng)的方式而言，獲取道路高程數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行水準(zhǔn)路線的布設(shè)，不同精度要求的數(shù)據(jù)提取需要采用不同等級的水準(zhǔn)路線進(jìn)行測量，而且道路數(shù)據(jù)的提取密度也不夠靈活，這種方式繁雜且效率較低。因此，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，三維掃描儀也逐漸應(yīng)用其中，面塊式的數(shù)據(jù)采集往往能夠采集更多的數(shù)據(jù)，但是面對越來越多的大批量數(shù)據(jù)采集，固定式的三維掃描儀也無法滿足數(shù)據(jù)采集的效率，所以本文將采用移動三維激光掃描技術(shù)結(jié)合上海黃浦區(qū)外灘某城市道路數(shù)據(jù)實(shí)例，對其采集的高程數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行研究探討。

1 車載移動三維激光掃描技術(shù)

車載移動三維激光掃描技術(shù)，即用車輛作為掃描儀的載體，將三維激光掃描設(shè)備、GNSS導(dǎo)航定位設(shè)備、慣性測量設(shè)備以及相關(guān)的全景相機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一封裝之后，在車輛行駛過程中，使用多源傳感器獲取周邊地形地物與三維激光掃描設(shè)備間的位置關(guān)系的系統(tǒng)。其中數(shù)據(jù)采集模塊即包含全景相機(jī)以及三維Lidar掃描設(shè)備，前者采集車輛行駛時所拍攝的全景相片，可以用來進(jìn)行常見的街景制作以及模型紋理使用。后者則是用來測量地形地物的水平角、垂直角以及與激光發(fā)射器的間距，進(jìn)而可以準(zhǔn)確獲得待測點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)。以固定坐標(biāo)系統(tǒng)為例，假設(shè)以激光發(fā)射器為原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)，XY為平面坐標(biāo)，Z為垂直方向高程值，求得待測點(diǎn)的三位坐標(biāo)如圖1。

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 項(xiàng)目概況

本工程實(shí)例采用的是華測AS-900HL多平臺激光雷達(dá)測量系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，其測距精度為1cm，搭載的是Ladybug5全景相機(jī)，載體為別克GL8商務(wù)車，測量的道路位于上海市黃浦區(qū)外灘約1.3km的城市道路。本項(xiàng)目針對的是高程精度，故本次數(shù)據(jù)采集僅采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對于影像數(shù)據(jù)的采集以及處理不作說明。

2.2 作業(yè)流程

外業(yè)數(shù)據(jù)采集包括基站控制測量、點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描和三維控制點(diǎn)測量三部分，控制測量包含平面控制測量以及高程控制測量。

基站控制測量主要是測設(shè)基站點(diǎn)的平面高程數(shù)據(jù)，需要在數(shù)據(jù)采集前在采集周邊選定位置，基站要求在信號較好處，距采集現(xiàn)場方圓15公里范圍以內(nèi)?，F(xiàn)場施測基站平面坐標(biāo)時，需與上海CORS站網(wǎng)進(jìn)行GPS聯(lián)測，按GB/T 18314-2009 《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》中D級網(wǎng)要求施測?；靖叱炭刂茰y量，采用Leica電子水準(zhǔn)儀DNA03及與其配套的條形碼標(biāo)尺。水準(zhǔn)儀和水準(zhǔn)標(biāo)尺的檢校項(xiàng)目、限差和水準(zhǔn)施測方法按GB12897-2006《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》二等幾何水準(zhǔn)規(guī)定執(zhí)行。而根據(jù)上海CORS站網(wǎng)的位置，其中的“上海市測繪院站”距采集現(xiàn)場道路方圓約7km，所以可直接使用上海市測繪院的CORS站網(wǎng)的數(shù)據(jù)資料，故本文中的控制測量部分可省去。

外業(yè)車載點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時，需要注意以下幾點(diǎn)：（1）首先根據(jù)需要掃描的道路制定車載掃描路線，車載掃描路線要求車輛行駛盡量走直線，較寬的道路為了保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，需要往返行駛;（2）為了減少道路點(diǎn)云數(shù)據(jù)的遮擋，點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集需選取道路車輛、行人閑暇時段進(jìn)行采集;（3）需在采集路段周邊找一空曠地區(qū)用于掃描儀pos靜置使用;（4）車載移動三維激光掃描需要同步在控制點(diǎn)上架設(shè)

基站，本項(xiàng)目使用的上海市測繪院站為7*24小時不間斷采集數(shù)據(jù)，即在內(nèi)業(yè)處理時直接調(diào)取上海市測繪院站的星歷數(shù)據(jù)。

三維控制點(diǎn)測量需要注意的是，散點(diǎn)需測設(shè)在有明顯三維特征的角點(diǎn)上，可以是建筑物明顯角點(diǎn)上，也可以是有反光強(qiáng)度的道路標(biāo)線上，為保證所測散點(diǎn)能夠在點(diǎn)云成果中找到對應(yīng)的同名點(diǎn)，建議在解算出初步的點(diǎn)云后，在點(diǎn)云上進(jìn)行三維控制點(diǎn)選擇后進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)施測。外業(yè)三維控制點(diǎn)測量主要分為點(diǎn)位的平面坐標(biāo)測量以及高程坐標(biāo)測量。（1）平面坐標(biāo)測量，點(diǎn)位平面坐標(biāo)精度參照地形圖測圖圖根點(diǎn)的精度，外業(yè)實(shí)測時可利用上海已建成的CORS站網(wǎng)，采用GPS RTK模式現(xiàn)場直接測設(shè)三維控制點(diǎn)坐標(biāo)，信號較差區(qū)域可布設(shè)平面控制點(diǎn)，然后使用全站儀進(jìn)行圖根控制測量，具體限差參照GB 50026-2007 《工程測量規(guī)范》中具體要求執(zhí)行。（2）高程控制施測按GB-T 12

898-2009《國家三、四等水準(zhǔn)測量規(guī)范》三等幾何水準(zhǔn)規(guī)定執(zhí)行。水準(zhǔn)測量采用上海市已布設(shè)完成的二等控制點(diǎn)作為起始點(diǎn)，經(jīng)校驗(yàn)后使用。本次于1.3km道路均勻分布并采集了33個三維控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。

3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)解算

數(shù)據(jù)解算分為2個部分：一是采用Inertial Explorer（簡稱IE）軟件進(jìn)行軌跡解算，IE軟件是一款用于處理并解算所有可用的GNSS、INS數(shù)據(jù)，并且提供高精度組合導(dǎo)航信息，包含位置、速度和姿態(tài)信息，在軟件中，輸入上海市測繪院CORS站三維坐標(biāo)，并且導(dǎo)入外業(yè)儀器所采集的GPS導(dǎo)航信息，即可解算出車載掃描軌跡POS文件。二是點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成，使用CoPre軟件，CoPre軟件用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)的解算。通過在CoPre軟件中讀取IE解算出的POS軌跡文件，與車載移動三維激光掃描儀采集的數(shù)據(jù)結(jié)合，以30m為濾波值，即可解算出初步的點(diǎn)云。

3.2 精度驗(yàn)證

精度驗(yàn)證采用CoRefine軟件進(jìn)行，CoPefine軟件是用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)修正POS文件，點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度驗(yàn)證。本次驗(yàn)證采用同名點(diǎn)驗(yàn)證方式進(jìn)行。即外業(yè)實(shí)測點(diǎn)的三維信息與點(diǎn)云中同名點(diǎn)的三維信息進(jìn)行比較。通過3.1中初步解算出來的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與外業(yè)測量的三維控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行同名點(diǎn)比對，確認(rèn)同名點(diǎn)位的平面以及高程差值普遍在10-20cm內(nèi)，精度較差，說明原始數(shù)據(jù)的三維信息較差。但是，我們通過點(diǎn)云中相對精度的校驗(yàn)，即同名點(diǎn)位的距離差之差，即兩外業(yè)實(shí)測點(diǎn)位的距離差值與三維點(diǎn)云兩對應(yīng)同名點(diǎn)位距離插值的互差進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)云自身的相對精度基本保持在5cm左右，因此，為了提升點(diǎn)云的絕對精度，采用CoRefine軟件，使用部分外業(yè)測量的三維控制點(diǎn)數(shù)據(jù)對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)糾正，為了了解不同密度的糾正點(diǎn)間距對點(diǎn)云高程精度的提升，我們采用了三套方案進(jìn)行研究，具體方案如下：

（1）以約60米左右作為間距，增加一個糾正點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)糾正，即采用21個三維控制點(diǎn)糾正后，再次輸出糾正后的點(diǎn)云，以其余的控制點(diǎn)進(jìn)行高程同名點(diǎn)校驗(yàn)，得到高程中誤差0.011m。

（2）以約150米左右作為間距，增加一個糾正點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)糾正，即采用8個三維控制點(diǎn)糾正后，再次輸出糾正后的點(diǎn)云，以其余的控制點(diǎn)進(jìn)行高程同名點(diǎn)校驗(yàn)，得到高程中誤差0.03m。

（3）以約400米左右作為間距，增加一個糾正點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)糾正，即采用3個三維控制點(diǎn)糾正后，再次輸出糾正后的點(diǎn)云，以其余的控制點(diǎn)進(jìn)行高程同名點(diǎn)校驗(yàn)，得到高程中誤差0.045m。

4 結(jié)束語

通過三套方案的中誤差可得：

（1）糾正點(diǎn)位密度越高，高程點(diǎn)位精度越高。

（2）糾正點(diǎn)位密度與高程點(diǎn)位精度呈一定的正比關(guān)系。

（3）400m左右的糾正點(diǎn)密度高程精度可以達(dá)到5cm。

本次獲得的結(jié)果還是僅僅針對城市平緩區(qū)域道路，且數(shù)據(jù)量有限，對于這一結(jié)論的準(zhǔn)確性還需要進(jìn)一步以實(shí)際案例進(jìn)行驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

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