測(cè)量技術(shù)RTK-SLAM激光影像背包測(cè)繪機(jī)器人精度驗(yàn)證*

閆宏昌,陳代鑫,呂建偉

(1.蘭州交通大學(xué) 測(cè)繪與地理信息學(xué)院，地理國(guó)情監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，甘肅省地理國(guó)情監(jiān)測(cè)工程實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000;2.甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 天水 741020)

移動(dòng)掃描系統(tǒng)具有不接觸物體、速度快、施測(cè)的精度高、獲取的信息豐富等特點(diǎn)，已然在測(cè)繪及建筑領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前，由于數(shù)據(jù)采集方式的不同可以將移動(dòng)掃描系統(tǒng)分成三類，其中，地面掃描系統(tǒng)包括靜態(tài)的和背負(fù)式的，而靜態(tài)三維激光掃描需要大量的基準(zhǔn)站架設(shè)工作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，掃描效率低，基站視野要求開(kāi)闊，且容易造成地物的遺漏;移動(dòng)車載掃描適用在車輛能夠通行的寬闊的街道或建筑物排列比較整齊的場(chǎng)地等，并且受作業(yè)方式的限制，無(wú)法在建筑物內(nèi)進(jìn)行作業(yè)。

RTK-SLAMTM背負(fù)式激光雷達(dá)測(cè)繪機(jī)器人是在傳統(tǒng)的移動(dòng)式三維激光測(cè)量的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改善數(shù)據(jù)采集方式，采用背負(fù)式激光掃描，克服了環(huán)境對(duì)測(cè)量的限制，如GPS信號(hào)、地形等，提高了數(shù)據(jù)采集的便攜性和適用性。

1 數(shù)據(jù)的采集及數(shù)據(jù)處理

1.1 數(shù)據(jù)采集

本文主要以歐思徠(北京)智能科技有限公司生產(chǎn)的移動(dòng)掃描系統(tǒng)采集設(shè)備，如圖1所示，儀器參數(shù)如表1所示，采集甘肅某高校校園地形圖，通過(guò)實(shí)際采集數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)作業(yè)方式做精度對(duì)比，驗(yàn)證了背負(fù)式移動(dòng)掃描系統(tǒng)在進(jìn)行大比例尺地形圖測(cè)繪時(shí)的高效性和高精度性。本次的數(shù)據(jù)采集范圍主要為學(xué)校建筑物的外圍立面和校園內(nèi)部，背負(fù)式移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)采集流程主要包括數(shù)據(jù)采集路線的規(guī)劃，架設(shè)靜態(tài)GPS接收機(jī)，初始化掃描系統(tǒng)，實(shí)地?cái)?shù)據(jù)采集，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理等。

圖1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備結(jié)構(gòu)

表1 主要技術(shù)參數(shù)

外業(yè)數(shù)據(jù)采集步驟主要為：

(1)使用Google Earth了解校園的現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)數(shù)據(jù)采集的整體路線進(jìn)行規(guī)劃。

(2)實(shí)地架設(shè)GPS基準(zhǔn)站，對(duì)移動(dòng)掃描系統(tǒng)進(jìn)行初始化。根據(jù)已經(jīng)規(guī)劃好的路徑，完成現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，測(cè)區(qū)總面積約0.27 km2，內(nèi)外業(yè)采集數(shù)據(jù)用時(shí)80 min。

(3)數(shù)據(jù)預(yù)處理。將采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，輸出具有彩色信息的“.las”點(diǎn)云數(shù)據(jù),如圖2所示。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)

(4)成果輸出。輸出具有RGB屬性的點(diǎn)云數(shù)據(jù)及行走軌跡和全景照片。

(5)數(shù)據(jù)融合。對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)抽稀處理，實(shí)現(xiàn)與全景照片的精細(xì)疊合，如圖3所示。

圖3 點(diǎn)云融合全景影像

1.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

OmniSLAM Mapper是背負(fù)式激光雷達(dá)測(cè)繪機(jī)器人的配套處理軟件，可將背負(fù)式激光雷達(dá)測(cè)繪機(jī)器人采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化處理，得到校園的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、軌跡數(shù)據(jù)等。

2 測(cè)繪成果精度評(píng)價(jià)

利用前面處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)其量測(cè)精度進(jìn)行驗(yàn)證，分別驗(yàn)證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平面絕對(duì)位置精度、高程精度，平面相對(duì)精度。

2.1 平面絕對(duì)位置精度

采用提取點(diǎn)云特征點(diǎn)對(duì)比全站儀測(cè)量坐標(biāo)的方法，檢查平面絕對(duì)位置精度，具體實(shí)施步驟如下：

(1)將處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)使用Cyclone進(jìn)行平面剖切，獲取完整的剖切處點(diǎn)云數(shù)據(jù)，切片厚度約2 cm。

表2 平面精度對(duì)比/m

(2)對(duì)得到的剖切點(diǎn)云檢索接近檢查點(diǎn)的近鄰域點(diǎn)云。

(3)采用最小二乘平面擬合算法[9]選取精確的魯棒數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代，擬合出比較精確的地形特征點(diǎn)。

(4)采用最小平方中位數(shù)算法對(duì)近鄰域中的點(diǎn)云選擇適宜的直線模型。

(5)采用擬合的方法，將擬合得到的直線模型作為基礎(chǔ)模型，通過(guò)迭代特征值最小二乘算法對(duì)原始點(diǎn)集不斷進(jìn)行擬合，以達(dá)到剔除異常點(diǎn)云的目的，使該模型能夠達(dá)到最為精煉的效果，最終能夠得到精確的直線模型。

(6)刪除直線模型擬合所采用的近鄰域點(diǎn)云，利用剩余的近鄰域點(diǎn)云再次執(zhí)行前面步驟，反復(fù)進(jìn)行迭代，直到最終的點(diǎn)云數(shù)量少于設(shè)定的限值時(shí)，停止迭代。

(7)這時(shí)就得到了一組擬合直線模型，確定擬合直線模型的交點(diǎn)。選擇近鄰域內(nèi)距離與待檢查特征點(diǎn)最近的交點(diǎn)作為坐標(biāo)比對(duì)點(diǎn)。

將擬合得到的直線模型交點(diǎn)與全站儀測(cè)得地形圖上同名點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)精度比對(duì)。計(jì)算平面點(diǎn)位的中誤差，評(píng)定平面點(diǎn)位的絕對(duì)精度。

依據(jù)現(xiàn)行的國(guó)家測(cè)繪成果標(biāo)準(zhǔn)《測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》(GB/T24356-2009)所采用提取高精度檢測(cè)點(diǎn)的方法進(jìn)行對(duì)比分析，利用公式(1)進(jìn)行精度檢測(cè)，最終得到的結(jié)果如表2所示。

(1)

由表2可知，平面點(diǎn)位中誤差為±0.027 m，最大點(diǎn)位誤差為JC013的0.042 m。依據(jù)《工程測(cè)量規(guī)范》(GB50026-2007)中對(duì)平面點(diǎn)位的精度要求，一般地區(qū)圖上點(diǎn)位中誤差為±0.800 m，相應(yīng)的1:500比例尺地形圖平面中誤差限差為±0.400 m。因此，利用RTK-SLAMTM背負(fù)式激光雷達(dá)測(cè)繪機(jī)器人測(cè)繪的點(diǎn)云精度，能夠滿足測(cè)繪1：500比例尺地形圖的精度要求。

2.2 高程精度

大比例尺地形圖的高程精度檢查主要是通過(guò)對(duì)高程注記點(diǎn)以及等高線高程插求點(diǎn)的精度檢查。通過(guò)采用濾波的擬合算法將外業(yè)采集到的彩色的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割成為地面上的點(diǎn)和非地面點(diǎn)，在地面點(diǎn)中，通過(guò)擬選擇高程點(diǎn)的范圍確定近鄰域高程點(diǎn)集，計(jì)算該近鄰域點(diǎn)集的重心，作為高程檢查最終的點(diǎn)云高程。然后，用該點(diǎn)云高程值與全站儀測(cè)得的該點(diǎn)的高程值做精度對(duì)比。

表3 高程精度對(duì)比/m

依據(jù)《工程測(cè)量規(guī)范》(GB 50026-2007)中平面點(diǎn)位的精度要求，一般平坦地區(qū)，高程中誤差為1/3倍等高距，相應(yīng)的1: 500地形圖所要求的高程中誤差為±0.167 m。由此可見(jiàn)，利用背負(fù)式移動(dòng)掃描系統(tǒng)點(diǎn)云精度測(cè)繪的1:500地形圖的測(cè)繪精度明顯優(yōu)于上述規(guī)范的要求。

2.3 平面相對(duì)精度

平面相對(duì)點(diǎn)位精度驗(yàn)證主要通過(guò)在三維點(diǎn)云或者點(diǎn)云切片中，人工采取點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到面的交互式測(cè)量模式，去量測(cè)點(diǎn)云地物點(diǎn)間距及地物的邊長(zhǎng)，與實(shí)際環(huán)境中采用鋼卷尺及全站儀量取相對(duì)應(yīng)邊長(zhǎng)或間距進(jìn)行比較，計(jì)算間距較差中誤差，以此去評(píng)價(jià)背負(fù)式測(cè)量機(jī)器人量測(cè)平面相對(duì)位置的精度。

2.3.1 室外數(shù)據(jù)

在進(jìn)行室外數(shù)據(jù)采集的時(shí)候，首先，應(yīng)根據(jù)實(shí)地的環(huán)境進(jìn)行采集路線的規(guī)劃，從而提高數(shù)據(jù)采集的效率和點(diǎn)云質(zhì)量。其次，使用采集設(shè)備環(huán)繞場(chǎng)地進(jìn)行室外數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到OmniSLAM Mapper中，選取廣告牌、花壇、臺(tái)階、石磚、路標(biāo)牌等作為特征地物，如圖4所示。再次，利用測(cè)距儀、鋼卷尺實(shí)地丈量該特征地物的尺寸，將所采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與該數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出中誤差。

圖4 特征地物量取示意圖

表4 室外特征地物尺寸對(duì)比/m

通過(guò)表4可以得出，背包機(jī)器人采集的數(shù)據(jù)精度大部分在厘米級(jí)，其中，車輛減速帶的中誤差最大達(dá)到0.033 m，究其原因，主要是由于減速帶獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)較稀，且減速帶距離儀器較遠(yuǎn)，所以點(diǎn)云間隔較大，誤差也較大。在進(jìn)行距離對(duì)比時(shí)，選點(diǎn)的誤差對(duì)其精度也有影響，通過(guò)計(jì)算最后得到室外的量測(cè)中誤差為0.018 m。

2.3.2 室內(nèi)數(shù)據(jù)

該數(shù)據(jù)采集的過(guò)程與室外數(shù)據(jù)采集的方式基本保持一致，通過(guò)采用背包機(jī)器人采集到的數(shù)據(jù)與鋼卷尺量測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，獲取室內(nèi)數(shù)據(jù)采集的中誤差。

通過(guò)外業(yè)實(shí)測(cè)與內(nèi)業(yè)計(jì)算最終得到室內(nèi)點(diǎn)云中誤差為0.016 m，其中，最大中誤差為窗戶的中誤差為0.033 m，究其原因，主要是與玻璃的反光及采集的距離有關(guān)。

表5 室內(nèi)特征地物尺寸對(duì)比/m

3 時(shí)間效率對(duì)比評(píng)價(jià)

分別使用全站儀和GPS-RTK組合測(cè)量的方式和背負(fù)式移動(dòng)掃描系統(tǒng)測(cè)量某高校1.1 km2大比例尺地形圖，通過(guò)時(shí)間效率對(duì)比，得出的對(duì)比圖如圖5所示。

圖5 測(cè)區(qū)時(shí)間效率對(duì)比

如圖可知，背負(fù)式移動(dòng)掃描測(cè)量系統(tǒng)明顯縮短了外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)間，運(yùn)用本系統(tǒng)進(jìn)行地形測(cè)量不需要進(jìn)行圖根點(diǎn)測(cè)量，并且基準(zhǔn)站測(cè)量時(shí)間有效縮短。兩種測(cè)量模式內(nèi)業(yè)成圖和補(bǔ)測(cè)時(shí)間大致相同。背負(fù)式移動(dòng)掃描測(cè)量方法時(shí)間效率優(yōu)勢(shì)在野外地形要素采集時(shí)間，把大量的野外勞動(dòng)轉(zhuǎn)移到內(nèi)業(yè)工作，同時(shí)節(jié)約了一半的作業(yè)時(shí)間，從整體工作上提高的時(shí)間效率約50%。

4 結(jié) 論

實(shí)踐證明，將背負(fù)式移動(dòng)掃描系統(tǒng)應(yīng)用于大比例尺地形圖的測(cè)繪是完全可行的，并且精度能夠滿足1:500比例尺地形圖的測(cè)繪要求。與傳統(tǒng)的測(cè)繪方式相比，背負(fù)式移動(dòng)掃描系統(tǒng)具有施測(cè)方式靈活、施測(cè)精度高、速度快、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)該系統(tǒng)應(yīng)用于大比例尺地形圖測(cè)繪進(jìn)行深入分析，所得結(jié)論如下：

(1)由于點(diǎn)云的選取誤差直接影響了最終測(cè)量的精度，所以提出了一種在近鄰域中如何選取精確坐標(biāo)點(diǎn)云的方法。

(2)通過(guò)對(duì)背包機(jī)器人與全站儀量測(cè)的CGCS2000坐標(biāo)進(jìn)行比較，最終得出，背包機(jī)器人不僅能滿足大比例尺地形圖中平面精度與高程精度的要求，而且測(cè)量精度較高。

(3)通過(guò)對(duì)背包機(jī)器人與鋼卷尺量測(cè)的相對(duì)精度比較得出，室內(nèi)量測(cè)精度要優(yōu)于室外量測(cè)精度，并且該系統(tǒng)能滿足在無(wú)GNSS信號(hào)的條件下施測(cè)，對(duì)以后的地下室量測(cè)具有現(xiàn)實(shí)意義。

(4)從背包機(jī)器人與常規(guī)測(cè)量手段的施測(cè)效率對(duì)比分析，明顯看出該設(shè)備的優(yōu)越性。

由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)普遍存在噪點(diǎn)的原因，顯現(xiàn)出使用該方法的局限性，而且由于該系統(tǒng)測(cè)量距離的局限，使得點(diǎn)云數(shù)據(jù)易出現(xiàn)空洞現(xiàn)象，將激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與攝影測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)可彌補(bǔ)該系統(tǒng)的不足。