車載激光掃描測量系統(tǒng)用于測繪成果精度檢測中的可行性研究

李艷貴 杜新紅 秦少林 田振東

（1.輝縣市春誠測繪有限公司，河南 輝縣 453600；2.輝縣自然資源和規(guī)劃局，河南 輝縣 453600）

1 引言

2 技術(shù)路線

測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收是測繪生產(chǎn)項(xiàng)目的重要一環(huán)，通過對樣本質(zhì)量的檢查和評定來核定批成果質(zhì)量，其檢驗(yàn)結(jié)論是項(xiàng)目驗(yàn)收的依據(jù)。近年來，盡管航空攝影測量與遙感等測繪技術(shù)的變革減輕了測圖生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的工作量，但現(xiàn)有的檢驗(yàn)手段，無論是全站儀還是GNSS-RTK測量均難以有效滿足既高效又精確的要求，檢測方法與手段并未發(fā)生顯著變化，仍是利用外業(yè)進(jìn)行數(shù)學(xué)精度檢測點(diǎn)采集和地理要素巡視檢查，檢測方式有待進(jìn)一步改進(jìn)。隨著數(shù)字城市建設(shè)的推進(jìn)，大比例尺地形圖的更新頻率不斷加快，外業(yè)占比大的大比例尺數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗(yàn)已成為制約質(zhì)檢部門提高工作效率的瓶頸，研究“以內(nèi)為主、以外為輔，高效率、全天候”的質(zhì)檢方法和技術(shù)迫在眉睫，在現(xiàn)有數(shù)據(jù)檢驗(yàn)方案基礎(chǔ)上急需利用新技術(shù)、新思路、新方法，為4D測繪成果驗(yàn)收提供高精度三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)服務(wù)。

車載激光掃描測量技術(shù)作為測繪領(lǐng)域比較前沿的技術(shù)之一，在大比例尺道路帶狀地形圖、數(shù)字城管部件測量、道路資產(chǎn)評估、城市快速建模、精細(xì)街景模型網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、高精度導(dǎo)航等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]。尤其是城市大比例尺地形圖測繪，經(jīng)過近十年的應(yīng)用發(fā)展，取得了一些技術(shù)成果，具有廣闊的應(yīng)用前景[4]。車載激光掃描測量技術(shù)為傳統(tǒng)基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)等項(xiàng)目成果的精度檢測提供了一條新途徑。本文將車載激光掃描測量系統(tǒng)應(yīng)用于4D測繪成果精度檢測中，驗(yàn)證其位置精度，探索車載激光掃描測量系統(tǒng)在測繪成果精度檢測中的方案和工藝流程，從而提高4D測繪成果驗(yàn)收的效率和質(zhì)量。

2.1 車載掃描系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理

（1）外業(yè)數(shù)據(jù)采集 ：主要分為7個(gè)步驟 ：準(zhǔn)備工作、路徑規(guī)劃、GNSS基站布設(shè)、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、設(shè)備初始化、行車掃描、設(shè)備結(jié)束化。工作流程如圖1所示。

圖1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作流程

（2）內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理：旨在從解算出的點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)中提取地面點(diǎn)、目標(biāo)坐標(biāo)、DLG線劃圖及質(zhì)檢目標(biāo)自動切圖成果，用于和外業(yè)采集的檢查點(diǎn)進(jìn)行精度驗(yàn)證，并對4D測繪成果進(jìn)行質(zhì)檢。具體流程如圖2所示。

圖2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作流程

2.2 質(zhì)檢技術(shù)思路

質(zhì)檢工作主要流程如圖3所示，包括接收任務(wù)、選定檢驗(yàn)樣本、激光掃描數(shù)據(jù)采集、激光掃描數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理、樣本質(zhì)量評定、核定批質(zhì)量、出具質(zhì)量報(bào)告。

圖3 質(zhì)檢工作流程

3 案例分析

3.1 研究區(qū)概述

樣本選定為肇慶15塊掃描區(qū)，每塊測區(qū)覆蓋面積為30km2，包括城區(qū)和鄉(xiāng)村道路。以質(zhì)檢部門提供的全站儀和GNSS-RTK實(shí)測值為真值，每塊樣本區(qū)采集約30個(gè)平高點(diǎn)，對測繪成果和車載移動測量系統(tǒng)采集到的點(diǎn)位進(jìn)行精度評價(jià)。

3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集主要包括設(shè)備初始化、正式采集和設(shè)備結(jié)束化三個(gè)階段。首先，結(jié)合已有資料，設(shè)計(jì)合理的行車掃描路徑和掃描時(shí)間，檢查GNSS接收機(jī)、里程計(jì)、IMU、系統(tǒng)供電電源、相機(jī)、激光掃描儀等設(shè)備，確保無誤后設(shè)定系統(tǒng)掃描參數(shù)，進(jìn)行初始化工作。其次，系統(tǒng)初始化完成后，根據(jù)既定路線勻速掃描，掃描時(shí)沿快車道（緊靠隔離帶）行駛，若前方有車，應(yīng)等待其離開，不能繞過行駛，以便后續(xù)數(shù)據(jù)處理。最后，掃描結(jié)束后，IMU進(jìn)行10～15分鐘的靜態(tài)結(jié)束化，并對車載GNSS流動站和基準(zhǔn)站GNSS結(jié)束化，使GNSS的時(shí)間覆蓋整個(gè)作業(yè)。

3.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化、差分GNSS（DGNSS）計(jì)算、DGNSS/IMU/DMI聯(lián)合解算、激光掃描儀原始數(shù)據(jù)解碼等。

（1）數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。首先將原始IMU記錄文件為*.ima格式，利用SSW組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件將其轉(zhuǎn)化為IE可讀數(shù)據(jù)*.bin文件；將GNSS記錄數(shù)據(jù)通過Convert To RINEX軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，得到IE支持的*.dat文件。最后通過IE組合導(dǎo)航解算軟件進(jìn)行解算，將IMU文件由*.bin轉(zhuǎn)化為*.imr格式，將GNSS文件由*.dat文件轉(zhuǎn)化為*.gpb和*.sta兩種文件。

（2）差分GNSS（DGNSS）計(jì)算。利用IE組合導(dǎo)航解算軟件進(jìn)行差分GNSS（DGNSS）計(jì)算，需要外業(yè)輔助，提供基準(zhǔn)站記錄數(shù)據(jù)、儀器高等數(shù)據(jù)。

（3）組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)解算。IMU和GNSS的組合策略分為松組合方式、緊組合方式兩種。松組合方式是GNSS和IMU組合輔助進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)定位的一種體系結(jié)構(gòu)，利用GNSS計(jì)算得到的位置和速度按最小二乘估算法進(jìn)行IMU的姿態(tài)、速度、位置誤差改正。緊組合方式是GNSS和IMU僅作為一個(gè)測量傳感器而非相互獨(dú)立、系統(tǒng)的一種體系結(jié)構(gòu)，利用IMU解算初始整周模糊度，并在GNSS信號失鎖時(shí)保存記憶，當(dāng)GNSS信號重新獲得后，利用IMU數(shù)據(jù)重新解算正確的整周模糊度。IMU可為GNSS提供實(shí)時(shí)速度和姿態(tài)信息，提升GNSS動態(tài)跟蹤和抗干擾能力，是一種精度較高的組合方式。

（4）激光掃描儀原始數(shù)據(jù)解碼。激光掃描儀原始數(shù)據(jù)解碼是將激光掃描得到的原始數(shù)據(jù)角度信息、距離測量信息，依據(jù)激光掃描儀工作原理進(jìn)行函數(shù)變化，得到掃描點(diǎn)掃描儀系統(tǒng)局部坐標(biāo)系下極坐標(biāo)的一個(gè)過程，整個(gè)過程通過激光掃描系統(tǒng)自帶軟件SDCImport完成，最終得到的解碼數(shù)據(jù)文件為*.bplr格式，包含激光點(diǎn)坐標(biāo)、激光強(qiáng)度、UTC時(shí)間等信息。局部點(diǎn)云成果如圖4所示，檢測道路和建筑物提取成果如圖5所示。

圖4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理局部成果

圖5 自動提取成果

3.4 精度分析

按要求對車載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果的絕對精度和相對精度進(jìn)行驗(yàn)證，衡量車載地面移動測量系統(tǒng)采集的點(diǎn)云用于測繪質(zhì)檢工作的精度有效性。為準(zhǔn)確選擇檢測目標(biāo)點(diǎn)，首先將外業(yè)實(shí)測數(shù)據(jù)展點(diǎn)在樣本圖，根據(jù)外業(yè)實(shí)測點(diǎn)點(diǎn)位的描述信息，利用點(diǎn)云編輯軟件選取和采集特征點(diǎn)。以質(zhì)檢部門提供的全站儀和GNSS-RTK實(shí)測值為真值，每塊樣本區(qū)采集約30個(gè)點(diǎn)，對測繪成果和車載移動測量系統(tǒng)采集到的點(diǎn)位進(jìn)行精度評價(jià)。

根據(jù)《測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》規(guī)定，采用高精度數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢測時(shí)，中誤差按下式計(jì)算：

式中，M為成果中誤差；n為檢測點(diǎn)（邊）中誤差；Δi為較差。

（1）平面位置誤差統(tǒng)計(jì)。在15個(gè)樣本區(qū)用GNSS-RTK或全站儀采集447個(gè)平面檢測點(diǎn)，與車載點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的同名點(diǎn)進(jìn)行精度比對，以25cm作為中誤差限差（參照CJJ8-2017《城市測量規(guī)范》對1∶500地形圖平面精度限差要求），得出平面位置精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果（如表1所示）：檢測中誤差≤10cm的有9塊，占60%；大于10cm小于20cm的有5塊，占33%；≥20cm的有1塊，占7%。15塊全部小于標(biāo)準(zhǔn)中誤差。

表1 平面位置誤差統(tǒng)計(jì)

（2）高程誤差統(tǒng)計(jì)。在15個(gè)樣本區(qū)用GNSS-RTK或全站儀采集377個(gè)高程檢測點(diǎn)與車載點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的同名高程進(jìn)行精度比對，以15cm作為中誤差限差（參照CJJ8-2017《城市測量規(guī)范》對1∶500地形圖高程精度限差要求），得出高程精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果（如表2所示）：肇慶15塊掃描區(qū)域點(diǎn)云高程精度檢測中誤差≤10cm的有12塊，占80%；大于10cm小于15cm的有3塊，占20%；均小于15cm的限差要求。

表2 高程精度統(tǒng)計(jì)

根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)平面、高程中誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果，點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果的平面和高程精度能夠達(dá)到優(yōu)于1∶1000比例尺地形圖成果（平地）的精度要求，說明在GNSS信號良好的情況下，獲取的點(diǎn)云成果可以用于檢測≥1∶2000比例尺精度要求的4D基礎(chǔ)測繪成果。

4 結(jié)語

本研究形成了車載激光掃描測量系統(tǒng)在測繪成果精度檢測中的方案及工藝流程，很大程度上提高了測繪成果驗(yàn)收的效率和質(zhì)量，為測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心搶占先機(jī)，推動和加快測繪成果驗(yàn)收的精度檢測改革化進(jìn)程，對提高驗(yàn)收效率和質(zhì)量具有重要意義。