移動測量技術(shù)在測制大比例尺地形圖中的應用

張杰

摘要：近年來，隨著科學技術(shù)特別是計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)應運而生，并作為一種全新的空間數(shù)據(jù)獲取方法運用于測繪領域。基于三維激光掃描技術(shù)整合全景影像采集、融合技術(shù)，形成新的測繪技術(shù)-移動測量技術(shù)，該技術(shù)摒棄了傳統(tǒng)測量手段的作業(yè)方法，克服了以往測繪行業(yè)的局限性，通過向被測量物體發(fā)射激光束同時進行采集全景影像的方式，能夠直觀、快速、高效地獲取地物的空間三維坐標，經(jīng)點云數(shù)據(jù)的融合和全景影像拼接等數(shù)據(jù)處理，可以半自動生成數(shù)字地形圖。

關鍵詞：移動測量技術(shù)；POS數(shù)據(jù)處理；測制大比例尺地形圖；應用

1移動測量系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)構(gòu)成

移動測量系統(tǒng)中子系統(tǒng)主要包括激光掃描系統(tǒng)、慣性導航系統(tǒng)、全景影像采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電源供應系統(tǒng)和GNSS天線?？刂葡到y(tǒng)主要負責整個移動測量系統(tǒng)的正常運作，包括對激光掃描儀、GNSS天線、慣性導航系統(tǒng)、全景相機的控制；供電系統(tǒng)是整個移動測量系統(tǒng)的電力保障。

1.2工作原理及技術(shù)關鍵

移動測量技術(shù)能夠快速獲取直接反映測量目標實時和真實形態(tài)特性的空間點云數(shù)據(jù)和全景影像數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)的工作原理是：三維激光掃描發(fā)射器發(fā)出激光脈沖信號，到達物體表面發(fā)生漫反射，沿幾乎完全相同的路徑返回到接收器，從而根據(jù)反射的時間可以計算出目標點P與掃描儀中心的距離S，同時根據(jù)數(shù)據(jù)后處理結(jié)算得到掃描儀的POS數(shù)據(jù)。

1.3移動測量系統(tǒng)的誤差來源分析

三維激光測量技術(shù)的誤差來源大致可以分為三類誤差：儀器本身的誤差、與反射有關的誤差、外界環(huán)境條件引起的誤差等。

1.3.1儀器本身產(chǎn)生的誤差

儀器本身的誤差主要表現(xiàn)為掃描角度和激光測距產(chǎn)生的誤差。三維激光掃描儀角度掃描系統(tǒng)內(nèi)部的激光光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)是造成掃描角度產(chǎn)生偏差的主要來源；三維激光測距不論是脈沖式或是相位式測距，都會存在測距誤差。

1.3.2反射有關的誤差

由于掃描的物體表面材質(zhì)不同，顏色不同以及路面濕滑程度不同等，都會使物體的反射率發(fā)生改變，影響掃描點的精度；另外，反射物的傾斜角度不同也會對精度產(chǎn)生影響。

1.3.3外界條件引起的誤差

外界因素主要體現(xiàn)為溫度的不同會使儀器受熱不均產(chǎn)生誤差，另外風力會導致儀器產(chǎn)生輕微的偏移或振動，儀器的姿態(tài)不穩(wěn)也會產(chǎn)生誤差。

2內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

2.1點云數(shù)據(jù)處理

2.1.1 POS處理流程概述

POS處理是把數(shù)據(jù)采集過程中的移動站（R7）、基站（R4）的GPS原始信息導出并在IE軟件下進行GNSS解算，加以慣導數(shù)據(jù)耦合，從而得到平滑的GPS軌跡的過程。

2.1.2 數(shù)據(jù)準備

（1）GNSS數(shù)據(jù)準備

導出原始數(shù)據(jù)并利用ConvertToRINEX將移動站和基站的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IE軟件支持的GPB格式文件。

（2）IMU數(shù)據(jù)準備

利用IMU轉(zhuǎn)換工具，將慣導輸出的原始文件.Nav進行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后，可以在存放*.nav文件的目錄下看到有幾個文件生成，*.bin文件為raw格式的慣導數(shù)據(jù)，*.txt為實時慣導數(shù)據(jù)，*.nav為慣導的原始數(shù)據(jù)，*._out.txt為調(diào)試信息文件；其中，*.imr與IE軟件支持的格式有出入，需做進一步轉(zhuǎn)換后才能使用。

（3）DMI數(shù)據(jù)準備

將原始數(shù)據(jù)中的*.dmr拷貝到新建的GNSS后處理工程目錄下的IMU文件夾下。

2.1.3POS解算

（1）工程目錄的建立

為了便于管理，工程目錄的建立依據(jù)數(shù)據(jù)采集的時間建立，并在該目錄下，新建基站、移動站、IMU及IE工程文件夾。

（2）GNSS解算

① 移動站和基站的GPS數(shù)據(jù)生成GPS軌跡打開Inertial Explorer，導入移動站原始數(shù)據(jù)（R7.14o），設置移動站天線型號為TRM55970.00，選擇基站原始數(shù)據(jù)，設置基站參數(shù)，利用Inertial Explorer得到GPS軌跡。② 慣導原始（*.imr）數(shù)據(jù)修正GPS軌跡加入慣性導航數(shù)據(jù)，因為GPS密度較低，沒有姿態(tài)信息，需要慣性導航數(shù)據(jù)提供姿態(tài)信息；同時，在GPS失鎖的情況下，也需要慣性導航數(shù)據(jù)來輔助獲取位置和姿態(tài)的信息。利用IE軟件將慣導的.bin文件轉(zhuǎn)換為.imr文件使之能在IE下使用，向工程添加完*.imr后得到其軌跡，接下來進入耦合，得到加入慣性導航數(shù)據(jù)后修正后GPS軌跡。③ DMI數(shù)據(jù)（*.dmr）修正GPS軌跡將*.dmr文件拷貝至存有mu的文件夾下，利用Inertial Explorer，加上新進入的.dmr文件進行耦合，得到加入DMI數(shù)據(jù)后修正后GPS軌跡。至此，POS數(shù)據(jù)的處理已基本完成，得到耦合后平滑的GPS軌跡。

2.1.4數(shù)據(jù)精度分析

（1）位置誤差分析縱坐標表示偏差的值，橫坐標表示GPS時間（周每秒）；通過分析位置精度曲線，可以確定誤差的大致范圍以及最大誤差為多少。（2）姿態(tài)誤差分析縱坐標表示偏差的數(shù)值，橫坐標表示GPS時間（周每秒）；通過分析姿態(tài)上的變化，可以看出姿態(tài)的偏差及偏差的范圍和程度。（3）GPS信號分析縱坐標表示衛(wèi)星的顆數(shù)，橫坐標表示GPS的時間（周每秒）；通過分析衛(wèi)星顆數(shù)，可以查看某一時間段內(nèi)GPS信號的強弱，若衛(wèi)星顆數(shù)多則表明當前GPS信號良好，若衛(wèi)星數(shù)量少，則說明當前GPS信號不好。

2.2全景影像拼接

連續(xù)全景影像的采集系統(tǒng)一般由視頻采集設備、GPS接收器、移動工作站及配套設備組成。車輛頂部架設全景視頻采集設備和GPS接收器，在車輛行駛過程中采集道路周邊360°的全景視頻和坐標。采集中，一個場景由多張圖片和一個坐標組成，經(jīng)圖像拼接與融合后得到球面投影的全景幀。連續(xù)采集的全景幀經(jīng)過視頻處理后，就得到連續(xù)全景影像數(shù)據(jù)，其中每一幀都對應一個坐標。球面投影的全景影像在實踐中，因受城市樓宇與樹木的遮擋，GPS設備采集的坐標并不準確，而視頻設備的采集頻率要比GPS采集頻率高很多。因此，不可能針對每一幀都獲得一個高精度的坐標。一般是通過加裝慣性導航單元（IMU）等硬件設備來獲得每一幀的坐標或者姿態(tài)。連續(xù)全景影像采集過程中，因采集車輛正前方或正后方的物體距離攝像機較遠，汽車的直線運動不會引起這些景物在連續(xù)兩個全景幀中同名像素的坐標變化，而其轉(zhuǎn)向或顛簸運動會引起俯仰角變化，從而引起同名像素的坐標變化。根據(jù)這一現(xiàn)象，可以通過跟蹤連續(xù)全景影像正前方或正后方同名像素的坐標變化來解算連續(xù)影像的航向與俯仰角度變化。

參考文獻：

[1] 張養(yǎng)安， 李俊鋒， 薛兆元，等. 車載移動測量系統(tǒng)在大比例尺地圖測量和更新中的應用[J]. 北京測繪， 2016（6）：115-118.

（作者單位：61243部隊）