車載三維激光掃描技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用

曹兆峰，趙海峰，王勝利，姜 鵬

(江蘇省地質(zhì)測繪院，江蘇 南京 211100)

0 引 言

傳統(tǒng)地形圖繪制方法主要有：① 利用全站儀測定地物三維坐標，再通過內(nèi)業(yè)處理繪制成相應(yīng)比例尺的地形圖；② 通過航空攝影測量技術(shù)獲取影像，再通過像控、空三加密、內(nèi)業(yè)立體測圖、外業(yè)調(diào)繪、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)編輯等步驟獲得相應(yīng)比例尺的地形圖。前者外業(yè)工作量大，數(shù)據(jù)采集時間長，后者數(shù)據(jù)獲取成本較高。兩者還有一個共同的缺點：當測區(qū)地形較復(fù)雜、植被覆蓋度大、天氣不佳時，很多地段是測繪不到的。而三維激光掃描技術(shù)可以深入到任何復(fù)雜的環(huán)境中進行掃描操作，在數(shù)據(jù)采集的效率和精度方面有明顯優(yōu)勢。本文以西安某一局部地區(qū)地形圖測繪為例，探討將傳統(tǒng)地形圖測繪方法和三維激光掃描技術(shù)相結(jié)合，繪制大比例尺地形圖的方法和步驟。

1 三維激光掃描簡介

三維激光掃描技術(shù)是一種先進的全自動高精度立體掃描技術(shù)，又稱為“實景復(fù)制技術(shù)”[1]，是繼GPS空間定位技術(shù)后的又一項測繪技術(shù)革新，這將使測繪數(shù)據(jù)的獲取方法、服務(wù)能力與水平、數(shù)據(jù)處理方法等進入新的發(fā)展階段。它的主要特點是實時性、主動性、適應(yīng)性好，經(jīng)過簡單的處理就可以直接使用，無需復(fù)雜且費時費力的數(shù)據(jù)后處理；無需和被測物體接觸，可以在很多復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用；與GPS結(jié)合起來可以實現(xiàn)更強、更多的應(yīng)用。

最具代表性的是車載三維激光掃描儀。車載三維激光掃描儀是將三維激光掃描設(shè)備、衛(wèi)星定位模塊、慣性測量裝置、里程計、360°全景相機、總成控制模塊和高性能板卡計算機集成并封裝于汽車的剛性平臺之上，在汽車移動過程中，快速獲取高精度定位定姿數(shù)據(jù)、高密度三維點云和高清連續(xù)全景數(shù)據(jù)[2]，通過統(tǒng)一的地理參考和攝影測量解析處理，實現(xiàn)無控制的空間地理信息采集與建庫。

2 三維激光輔助地形圖測繪技術(shù)流程

本文將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到地形圖測繪中，主要包括外業(yè)掃描方案設(shè)計、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、車載掃描數(shù)據(jù)處理、地形圖繪制等幾個步驟，其具體技術(shù)流程如圖1所示。

2.1 外業(yè)掃描方案設(shè)計

在外業(yè)數(shù)據(jù)采集之前，要先確定好掃描方案。主要包括掃描范圍、掃描路線、基站架設(shè)位置以及掃描時間等。首先將航測方法無法測繪的范圍確定好，然后根據(jù)確定好的掃描范圍來設(shè)計行駛路線。由于西安路面較寬，為了保證能滿足大比例尺地形圖繪制要求，在設(shè)計行駛路線時每條路面都是來回掃描2次，以保證點云密度。其次，根據(jù)掃描路線確定基站架設(shè)位置，一般選擇視野開闊，GPS信號良好的地區(qū)架設(shè)基站。最后，由于測區(qū)所處位置是西安主城區(qū)，白天人流量、車流量都很大，路兩邊停的車也很多，只有在夜間(晚上11點至早晨6點)掃描，才能保證掃描數(shù)據(jù)的完整性，如圖2所示。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集時要嚴格按照外業(yè)掃描方案設(shè)計來進行，同時采集點云數(shù)據(jù)和全景照片，全景照片的采集便于后期數(shù)據(jù)處理和編輯。車輛行駛速度保持在30 km/h左右，線速度設(shè)置成200轉(zhuǎn)/s，激光點頻設(shè)置為550 khz-300 m，視場角選擇0°～360°，掃描完成后要立即在現(xiàn)場檢查數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的完整性以及數(shù)據(jù)的質(zhì)量。圖3為外業(yè)掃描的點云成果數(shù)據(jù)。

2.3 車載掃描數(shù)據(jù)的處理

車載掃描數(shù)據(jù)的處理需要經(jīng)過2個步驟：① 解算掃描軌跡；② 解算測圖需要的LAS文件。首先應(yīng)用Inertial Explorer軟件解算出掃描軌跡并導出軌跡文件。其次，應(yīng)用CoPre軟件，設(shè)置濾波距離等參數(shù)，從而解算出測圖需要的LAS文件。

2.4 地形圖的繪制

在本項目中，針對點云數(shù)據(jù)采集的并不是地形全要素，只是采用航測方法采集不到的獨立地物如路面上的窨井蓋、檢修井、路燈、電桿、電纜交接箱以及路邊線、隔離帶等。本項目采用的是CoMapping和SouthLidar兩款軟件，這兩款軟件都能夠滿足海量加載、顯示點云數(shù)據(jù)的要求。前者需要使用配套的立體顯卡和立體眼鏡，對電腦配置有特殊的要求；而后者只需要普通的電腦就可以。在地形圖繪制過程中，有以下幾個方面的技巧：

(1)利用CoMapping軟件生成點云結(jié)合表。

(2)可以根據(jù)需要適當調(diào)整點云大小，一般情況下，我們將點云大小設(shè)置為3。在CoMapping軟件中，如果要繪制路邊的路燈、電桿等桿狀地物時，可以將點云大小設(shè)置為1或者2，并將點云設(shè)置為高程模式，這樣可以很方便地分辨路邊的桿狀地物。

(3)在SouthLidar軟件中，是在切片模式下進行地形圖繪制。如果要繪制路邊的路燈、電桿等桿狀地物時，可以將模式切換到三維狀態(tài)，再將點云大小調(diào)整為1或者2，并且將點云設(shè)置為高程模式，也同樣可以很方便地分辨出路邊的桿狀地物。

(4)如果要測路邊線、隔離帶等線狀地物時，可以設(shè)置一個高程，將此高程以上的地物過濾掉，這樣就可以很清晰地分辨線狀地物的邊界。

圖4為內(nèi)業(yè)采集的DLG成果數(shù)據(jù)。

3 實例驗證

3.1 作業(yè)區(qū)概述

作業(yè)區(qū)內(nèi)建筑物密集，以多層、高層建筑為主。次要街巷多，分布不規(guī)則，且植被覆蓋度較大，因此，若采用傳統(tǒng)的航測方法進行大比例尺地形圖測繪，很多獨立地物如路面上的窨井蓋、檢修井、路燈、電桿、電纜交接箱以及路邊線、隔離帶等都無法判別其準確位置，后期外業(yè)補測工作量很大。因此，本文采用了將傳統(tǒng)地形圖測繪方法和三維激光掃描技術(shù)相結(jié)合，繪制大比例尺地形圖的方法。

3.2 精度檢測

為了驗證點云的精度，本文在試點區(qū)域內(nèi)選取了均勻分布的23個檢測點進行檢測。依據(jù)《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》(GB/T24356—2009)，采用高精度數(shù)據(jù)進行精度檢測時，中誤差按式(1)計算。精度評定結(jié)果如表1所示。

(1)

表1 精度評定表 單位/m

經(jīng)計算，得到車載三維激光掃描點云數(shù)據(jù)的平面位置中誤差為7.8 cm，高程位置中誤差為13.4 cm?！冻鞘袦y量規(guī)范》(CJJ/T 8—2011)要求：地物點相對于鄰近平面控制點的點位中誤差為圖上0.5 mm，相對于鄰近圖根點的高程中誤差為0.15 m。此次結(jié)果完全符合規(guī)范要求。

4 結(jié) 語

綜上所述，將車載三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到大比例尺地形圖繪制中，可以有效地解決傳統(tǒng)地形圖測繪方法測不到的盲區(qū)，能大大減少外業(yè)后期補測工作量，且精度也滿足現(xiàn)有國家規(guī)范的要求。

但此技術(shù)也存在一些不足：點云數(shù)據(jù)量較大，如何提高數(shù)據(jù)有效性，減少數(shù)據(jù)冗余是下一步的研究重點。