車載激光掃描技術(shù)在全息測繪中的應用

丁柃杰

（紹興市上虞區(qū)土地勘察測繪隊，浙江紹興 312300）

0 引言

作為一種能夠準確刻畫現(xiàn)實世界的空間三維數(shù)據(jù)，點云是繼地圖與影像后的第三類空間數(shù)據(jù)[1]。點云的出現(xiàn)以及發(fā)展，為全球制圖、智能交通、智能城市建設等提供了重要幫助。激光雷達掃描技術(shù)是獲取點云數(shù)據(jù)的技術(shù)手段，其具有自動化程度高、數(shù)據(jù)內(nèi)容豐富、采集速度快等技術(shù)優(yōu)勢[2]，因此自誕生之日起，激光雷達掃描技術(shù)便在各領(lǐng)域發(fā)揮著積極作用，尤其是在測繪行業(yè)，具有傳統(tǒng)測繪技術(shù)手段無可比擬的技術(shù)優(yōu)勢。

全息測繪作為新型基礎測繪體系建設的解決方案之一，是以地理信息服務精細化、精確化、真實化、智能化為目標，通過多種測繪新技術(shù)獲取全要素地理實體的位置、屬性信息，形成涵蓋空地一體化的高清、高精結(jié)構(gòu)化立體地理數(shù)據(jù)[3-4]。本文以實際全息測繪項目為依托，探索將車載激光掃描技術(shù)應用于全息測繪中的技術(shù)方案，通過車載激光掃描技術(shù)完成空間三維數(shù)據(jù)采集，并基于采集數(shù)據(jù)完成內(nèi)業(yè)成果制作。

1 全息測繪主要技術(shù)指標

1.1 車載激光掃描技術(shù)指標

全息測繪中，主要利用移動車載激光掃描采集道路以及道路兩側(cè)地物點云數(shù)據(jù)，并基于點云數(shù)據(jù)制作道路全息測繪成果，其中點云數(shù)據(jù)成果應滿足的精度指標主要包括：

1）點云經(jīng)控制點糾正后，平面檢測中誤差小于±7 cm，高程檢測中誤差小于±5 cm；

2）點云經(jīng)控制點糾正后，不同車次點云之間平面分層差小于7 cm，高程分層差小于5 cm；

3）點云經(jīng)控制點糾正后，點云與影像之間配準誤差小于5 cm。

1.2 全息測繪成果技術(shù)指標

全息測繪與傳統(tǒng)基礎地形測繪具有較大區(qū)別，其具有要素豐富、屬性齊全等特征。參考《城市測量規(guī)范》[5]，全息測繪平面精度、高程精度要求分別如表1、表2 所示。

表1 全息測繪成果平面精度指標

表2 全息測繪成果高程精度指標

2 全息測繪成果制作流程

全息測繪項目中將車載激光掃描點云數(shù)據(jù)作為道路全息測繪成果制作的數(shù)據(jù)源，首先對車載激光掃描點云數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)解算與糾正，得到滿足全息測繪生產(chǎn)的點云數(shù)據(jù)。其次將點云數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源進行矢量數(shù)據(jù)提取。最后進行外業(yè)調(diào)繪、補測等步驟后完成成果制作，技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 基于車載激光點云數(shù)據(jù)的全息測繪技術(shù)路線圖

2.1 車載激光掃描

2.1.1 采集內(nèi)容

車載激光掃描系統(tǒng)采集內(nèi)容包括城市道路及道路兩側(cè)所有地理實體，如道路邊線、道路標線、城市部件、綠化帶等。

2.1.2 采集要求

2.1.2.1 數(shù)據(jù)采集流程

移動車載激光掃描包括基站架設、設備初始化、激光掃描等過程，具體過程為[6]：

1）在測區(qū)附近選擇一空曠區(qū)域作為儀器設備靜止場地，在靜止場地完成儀器安裝、儀器初始化等工作；

2）初始化工作完成后，駕駛激光掃描車離開靜止場地，在開啟激光掃描儀器前需要進行一次直行與兩次拐彎行駛，使儀器設備適應車輛行駛狀態(tài)；進入測區(qū)開啟激光掃描儀、全景相機進行數(shù)據(jù)采集；

3）數(shù)據(jù)采集完成后，將車輛行駛至空曠區(qū)域完成靜止化，最后關(guān)閉整個設備系統(tǒng)。

2.1.2.2 數(shù)據(jù)采集要求

進行移動車載激光掃描前，需要根據(jù)實際道路情況設計合適的掃描路線，在進行移動車載激光掃描時應遵循的原則主要有：

1）激光點云數(shù)據(jù)采集時的車輛移動速度低于30 km/h，并以平穩(wěn)速度進行點云數(shù)據(jù)采集；

2）車輛行駛過程中避免與大車并排行駛，以免大車遮擋導致采集數(shù)據(jù)缺失；

3）對于高架橋、隧道等道路的匝道數(shù)據(jù)同樣需要采集；

4）路過低矮電線、遮擋物時，必須以不超過10 km/h的低速平穩(wěn)通過。

2.2 掃描數(shù)據(jù)解算

2.2.1 軌跡數(shù)據(jù)解算

數(shù)據(jù)采集完成后，得到采集數(shù)據(jù)包括原始點云數(shù)據(jù)、GNSS 數(shù)據(jù)、原始全景影像數(shù)據(jù)等，首先使用Inertial Explorer (簡稱IE）軟件解算移動車輛行駛POS 軌跡數(shù)據(jù)，主要解算步驟為：

1）新建工程。在IE 軟件中新建項目工程，將原始數(shù)據(jù)加載至工程中；

2）GNSS 數(shù)據(jù)差分處理。使用基站GNSS 數(shù)據(jù)與移動站GNSS數(shù)據(jù)進行差分處理；

3）GNSS/INS 組合解算。使用移動站GNSS 數(shù)據(jù)、慣導數(shù)據(jù)解算得到移動車輛在任意時刻高精度軌跡數(shù)據(jù)；

4）軌跡輸出。將解算完成的軌跡數(shù)據(jù)以固定格式輸出。

2.2.2 點云數(shù)據(jù)解算

基于POS 軌跡數(shù)據(jù)、原始點云數(shù)據(jù)完成空間三維點云數(shù)據(jù)的解算，主要步驟為：

1）在點云解算軟件Copre 中新建項目工程，將POS 軌跡數(shù)據(jù)、原始激光點云數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)檢校數(shù)據(jù)加載至項目工程中；

2）基于POS 軌跡數(shù)據(jù)與原始點云數(shù)據(jù)解算生成具有三維坐標信息的點云數(shù)據(jù)；

3）通過全景影像數(shù)據(jù)為三維點云數(shù)據(jù)上色，得到彩色點云。

2.3 矢量提取

2.3.1 采集范圍

基于移動車載激光掃描的全息測繪的作業(yè)范圍主要包括道路及道路兩側(cè)區(qū)域，采集要素包括但不限于工礦設施、道路及其附屬設施[7]，采集要素信息包括三維坐標信息、各類屬性信息。

2.3.2 線要素提取

道路線要素提取內(nèi)容包括車道線、道路邊線等。

2.3.2.1 道路邊線提取

將點云數(shù)據(jù)加載至三維測圖軟件中，基于自由視圖繪制道路邊線，在邊線平直區(qū)域繪制直線，在道路彎曲區(qū)域繪制圓弧。道路邊線繪制過程中注意節(jié)點高程是否正確，為最大程度反映真實地面高程變化，在高程起伏較大區(qū)域縮短節(jié)點間隔，對于偏差較大區(qū)域增加節(jié)點。

2.3.2.2 車道線

在俯視狀態(tài)下繪制車道線時，提取車道線前，首先根據(jù)車道線類型確定合適的編碼，車道線繪制位置為車道線中心，同樣，當車道線不是直線時使用圓弧繪制。根據(jù)繪制經(jīng)驗可知，對于車道線平直區(qū)域每隔30 m 增加一個節(jié)點最合適，對于高程起伏較大的區(qū)域要增加節(jié)點，保證繪制車道線能夠準確反映真實車道線起伏變化。

2.3.2.3 人行橫道線

人行橫道線繪制位置為橫道線邊緣中心位置，點云場景中道路中間位置高程一般高于道路兩側(cè)，因此在進行車道線繪制時要在道路中間多增加節(jié)點，保證繪制車道線與地面有較高的吻合度。

2.3.3 點要素提取

道路及道路兩側(cè)歸類為點要素的地物包括地面箭頭、桿狀物、箱體、牌類等。

2.3.3.1 地面箭頭

地面箭頭繪制前，根據(jù)類型選擇合適的編碼，繪制節(jié)點位置為尾部中心點。繪制過程中保證地面箭頭方向選擇的正確性，對于地面箭頭模板與實際箭頭大小不一的情況可根據(jù)縮放比例進行大小調(diào)整。

2.3.3.2 桿狀物

桿狀物的繪制位置為桿狀物落地中心位置，繪制過程中，對于無法根據(jù)點云場景分辨的地物需參考實景影像。

2.3.4 面要素提取

道路及道路兩側(cè)的面狀要素包括安全島、收費站、減速帶、停車位等。在進行面狀要素繪制時，首先根據(jù)點云場景確定面狀要素類型并使用正確的編碼進行繪制，繪制的閉合面在高程與平面上均應閉合，使用面域填充。

2.4 外業(yè)調(diào)繪

由于車載激光掃描在外業(yè)掃描作業(yè)過程中受多種因素影響導致采集數(shù)據(jù)不完整，在進行內(nèi)業(yè)矢量化過程中，由于數(shù)據(jù)缺失導致的部分地物位置信息與屬性信息采集不完整，因此需要根據(jù)實際要求進行外業(yè)補測與調(diào)繪。在進行外業(yè)補測、調(diào)繪前需要對基于點云繪制矢量要素進行完整性、合理性檢查。調(diào)繪過程中要做到走到、看到，使用核實的符號對調(diào)繪成果進行標記，便于內(nèi)業(yè)作業(yè)人員識別[8]。

2.5 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)編輯與屬性添加

在完成內(nèi)業(yè)矢量提取、外業(yè)調(diào)繪補測后，需要對各類繪制成果進行整合編輯，數(shù)據(jù)編輯應遵循綜合取舍的原則，主要內(nèi)容為屬性添加與圖形整飾。其中屬性信息獲取主要為兩個途徑，分別為現(xiàn)場調(diào)繪與資料收集，外業(yè)調(diào)繪屬性內(nèi)容包括實體名稱、編號等；資料收集是從相關(guān)部門收集已有資料并梳理電子化收集資料，并利用有用屬性信息，最后通過內(nèi)業(yè)梳理將調(diào)繪與收集屬性信息賦值至相應實體中。圖形整飾包括添加各類注記、圖形接邊等操作，完成此操作后，得到最終的全息測繪成果，如圖2 所示。

圖2 基于車載激光掃描的全息測繪成果

3 精度驗證

制作完成基于車載激光掃描系統(tǒng)的全息測繪成果后，使用傳統(tǒng)高精度測繪手段如全站儀、RTK等對全息成果進行精度檢驗，全息測繪項目中規(guī)定每公里分別采集20個平面點與高程點，根據(jù)測區(qū)大小共采集8000個平面檢驗點與高程檢驗點，平面與高程精度檢驗結(jié)果如表3、表4所示。

表3 平面精度統(tǒng)計表

表4 高程精度統(tǒng)計表

注：粗差指標準中誤差2 倍至3 倍之間的點的比例，下同。

通過精度檢查結(jié)果可知：基于車載激光掃描制作全息測繪成果滿足精度要求。

4 結(jié)語

作為一種新型測繪技術(shù)，車載激光掃描技術(shù)在地形測繪中的應用還較少，本文結(jié)合全息測繪項目，發(fā)揮車載激光掃描在數(shù)據(jù)采集中的優(yōu)勢，將車載激光掃描應用于全息測繪道路部分地形數(shù)據(jù)制作中。相比于傳統(tǒng)地形圖，基于車載激光掃描制作的全息地形成果的屬性更加豐富、三維信息更加準確。同時，利用車載激光掃描進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集可有效節(jié)省周期、節(jié)約項目成果。對基于車載激光掃描制作的全息成果進行精度檢驗，結(jié)果表明：成果精度滿足項目設計要求，驗證了該方案的可行性。隨著車載激光掃描技術(shù)的不斷應用與成熟，其將會在測繪領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，不斷推進測繪事業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展。