車載移動測量系統在大比例尺地形圖質檢工作中的應用研究

侯亞娟，葛中華

車載移動測量系統在大比例尺地形圖質檢工作中的應用研究

侯亞娟，葛中華

(浙江省測繪質量監督檢驗站，浙江杭州310012)

一、引言

隨著激光掃描技術的不斷發展，車載移動測量技術如今已成為獲取高分辨率空間信息的一種重要技術手段，并廣泛應用于城市規劃、工業生產及測繪等多個領域。它具有高精度、高分辨率、操作方便、實時、可在夜間測量、作業效率高、成圖周期短、能進行連續和動態測量等一系列優點，其出現和發展為空間三維信息的獲取提供了全新的技術手段，目前該類系統的應用方式和應用領域是國內外研究的熱點。吳賓等利用車載激光掃描點數據提取組成單株行道樹的激光點，并以此提取行樹的樹高、冠幅等生物特性［1］;徐建新等將三維點云數據和全景影像合成真實三維場景，用于實現城市部件數據的內業采集，克服了利用大比例尺地形圖進行部件調查時在幾何精度和要素表達完整性方面的不足［2］;戴彬等提出了一種基于地物分類的點云三維重建方法，實現了建筑三維模型的快速構建［3］;郝銘輝等將車載激光掃描數據應用于日常土地管理工作，實現了在三維地籍建模中的應用［4］;李長春、李暉等對三維激光掃描技術在建筑物模型構建或虛擬現實中的應用進行了有益的探索［5-6］。但鮮有車載移動測量系統應用于測繪成果質量檢查與驗收的文獻。

測繪成果質量檢查與驗收是測繪生產項目全過程中非常重要的一環，它通過對樣本質量的檢查和評定來核定批成果質量，其檢驗結論最終成為項目驗收的質量依據。近年來盡管航空攝影測量與遙感等測繪技術的變革有效地減輕了測圖生產各環節的工作量，但就大比例尺地形圖成果質量檢驗而言，一直以來在檢測方法與檢測手段上并未發生顯著變化和改進，其主要工作仍然是利用外業工作進行數學精度檢測點的采集和地理要素的巡視檢查，工作量沒有實質性降低。隨著數字城市建設工作的切實推進，大比例尺地形圖的更新頻率不斷加快，外業工作占比大的大比例尺數據質量檢驗項目已成為制約測繪成果質檢部門工作效率提高的瓶頸問題，研究“大內業、小外業、高效率、全天候”的質量檢驗方法和技術已迫在眉睫。

二、試驗車載移動測量系統

本次試驗所采用的車載移動測量設備是由武漢大學測繪學院與寧波市測繪設計研究院聯合開發的車載三維立體影像采集系統。該系統是一個多傳感器集成的自動化數據采集系統，可以實時完成載體的GPS定位、姿態解算、城市三維空間信息的激光點云數據及全景影像數據的采集。系統的位姿傳感器由GPS、慣性測量單元IMU及車輪編碼器組成，并以一定的采樣頻率獲取移動測量系統的姿態和位置;影像傳感器包括激光掃描儀、全景相機，其中利用激光掃描儀獲取目標的三維幾何信息，而全景相機則獲取目標的紋理特征。

該系統采用的激光掃描儀在非高速模式下，其有效掃描范圍為1．5～600 m，百米內測距精度為0．005 m，測角精度為0．000 5°，可以滿足大比例尺地形圖檢驗工作對設備幾何精度的要求。全景相機由8個CCD構成，每個CCD傳感器大小為2454像素× 2056像素，像素大小為3．45 μm，在車輛行駛途中同步采集多個方向的影像信息，制作全景影像以輔助作業時對地物的準確判定。系統使用到的各種設備均被固定在移動平臺上，并系統標定其嚴格的幾何關系，同時采用計算機時間和GPS作為時間基準，通過同步控制系統保證所有傳感器與平臺的運動和姿態同步進行。

三、大比例尺地形圖成果質量檢驗過程

1．工作流程設計

大比例尺地形圖成果質量檢驗是綜合利用內、外業的各種技術手段，通過實測、巡視等方式對樣本圖空間參考系、數學精度、完整性、表征質量等質量元素進行檢核的過程。

用車載移動測量系統進行大比例尺地形圖成果質量檢驗包括:①首先需根據測區數據生產的總體情況選擇檢驗樣本，以樣本圖中地物和道路的分布特點去規劃車輛行駛路徑，進行外業點云數據和全景影像的同步獲取;②根據采集的數據在內業進行點云和影像數據預處理;③在數據瀏覽和編輯軟件中疊加點云與全景影像，準確地選取精度檢測點用于評價樣本圖幅的精度情況;④在全景影像中目視瀏覽地物概況，檢查數據中地物表達的完整性和正確性，并同步對圖幅表征質量、附件質量等其他檢查項進行檢核;⑤當樣本圖幅由于道路密度較低或地物較為復雜而全景影像不能完全而清晰地反映地物特點時，需要適當增加部分外業工作以配合完成樣本區的巡視檢查;⑥根據各檢查項的檢查情況對質量子元素、質量元素和樣本圖幅進行分數評定，由此核定批成果質量，并出具檢驗報告。應用車載移動測量系統進行大比例尺地形圖質量檢驗工作流程如圖1所示。

2．檢驗樣本的選取

為綜合評定車載移動測量系統點云成果數學精度的可靠性和全景影像代替巡視的可行性，本次試驗選擇了兩個區域、共4幅1∶2000圖作為試驗區，分別位于某鎮政府和某水庫附近。

試驗區的選定基于以下3個原因:①為檢驗地勢的急劇變化時，點云的數學精度是否依然能滿足質檢工作的需要，選擇的樣本圖區域內地勢總體較為平坦，但道路上有小范圍的起伏;②考慮到道路路面寬度和鋪設材料會對車輛在行駛過程中造成一定的顛簸，因而試驗區域范圍內既有水泥或瀝青等條件較好的硬化地表，也有城鄉接合部的泥土路面單車道道路，在某鎮政府附近為水泥硬化路面的雙向2車道道路，在某水庫附近為泥土路面的單車道路面;③實際精度檢驗工作中對檢測點的選取是整個圖幅范圍內各種類型地物點的隨機取樣，而不是限定在道路兩側不遠區域，同時在激光掃描儀的有效測程范圍內其精度是否均能滿足檢驗工作要求，因而本試驗區道路兩側地物距離道路中心線約5～200 m。

圖1 車載移動測量系統應用于質檢工作流程

3．激光掃描數據采集

為提高點云數據精度，移動測量系統外業數據采集時采用差分GPS方式使用參考站和車輛流動站的觀測數據進行聯合平差。

系統裝備的掃描儀采用單側采集的方式對地物進行掃描，同一條道路需要來回兩次才能完成行駛路徑兩側數據的采集操作。本次試驗車輛行駛路徑共約6 km，有效采點耗時合計90 min。車輛行駛軌跡如圖2所示。

圖2 車輛行駛軌跡

4．激光掃描數據處理

測量車在完成數據采集工作后，即可在內業對數據進行處理，該部分工作的主要內容有點云數據解算、點云與影像的融合及全景影像拼接處理。這些步驟均已實現了程序自動化處理，需要人工干預的工作相對較少，對節省檢驗人員數量具有積極意義。本次試驗中的點云數據文件在轉換成LAS格式后總量約5 GB，同步采集的全景照片多達數十GB。整個內業處理工作需1個熟練工程師耗費約3 h，最大時間消耗發生在程序自動化處理環節，約8 h。解算后的點云按高程分層設色后的效果如圖3、圖4所示，全景像拼接后效果如圖5所示。

圖3 按高程分層設色后的點云(俯視)

圖4 按高程分層設色后的點云(側視)

圖5 拼接后的全景影像

5．點云數據精度分析

試驗采用2″級全站儀外業采集檢測數據并對選取的點云特征點進行精度檢核，以衡量點云應用于大比例尺地形圖檢驗工作的精度有效性。

( 1)特征點選取

特征點的選取是試驗成敗的關鍵，因為精度的有效性直接關系車載移動測量方法應用于質量檢驗工作的可行性。為準確而有效地選擇檢測特征點，首先將外業實測數據展點在樣本地形圖中，同時根據外業測點時對實測點點位的描述信息，利用點云編輯軟件進行特征點的選取和采集。少量點云中未生成的房屋角點，實際選點工作中通過多點交匯的方式解算求取。

本測區外業數據檢測采集各類精度檢測點共1048個，試驗樣本范圍內共有實測點138個，其中有效的平面精度檢測點134個，高程精度檢測點40個。整個特征點選點工作量為一個工程師1 d的工作量。實測點與特征點分布情況如圖6所示。

圖6 實測點與精度檢測特征點分布

( 2)精度評價

根據《測繪成果質量檢查與驗收》( GB/T 24356—2009)的規定，采用高精度數據進行精度檢測時，中誤差按下式計算

式中，M為成果中誤差; n為檢測點(邊)中誤差;Δi為較差。

經計算，平面位置誤差分布統計和高程誤差分布統計分別見表1、表2。

表1 平面位置誤差分布統計表

表2 高程誤差分布統計表

粗差點分析:本次134個數據點中有9個粗差點，經數據檢查與核對，有6個為數據選點有誤造成，另外3個為未進行點的交匯求解而引起。

6．全景影像地物巡視

在本次試驗中利用點云與全景球配準后在內業進行地物巡視檢查，能有效減少外業工作量，具有可反復檢視和全天候的優點;但受限于圖幅內道路網密度、可通達性及相機分辨率等因素，其有效檢測范圍相對于全野外巡視有一定的局限性。

四、結果比較

試驗表明，利用車載移動測量系統進行1∶2000大比例尺地形圖質量檢驗，其數學精度較高，能滿足現行國家相關規范對檢驗工作的要求;同時，與常規數據檢驗方式相比，在節省外業作業時間、減少不良天氣影響等方面具有獨特優勢，對建立“大內業、小外業、高效率、全天候”的檢驗方式具有重要意義。本次試驗區兩種檢驗方式的詳細對比情況見表3。

表3 兩種檢驗方式的對比

五、結束語

本次試驗結果表明，利用車載移動測量系統進行大比例尺地形圖質量檢驗是可行且高效的。但是由于激光掃描技術仍然是相對較新的技術，應用該技術進行成果質量檢驗時還面臨部分問題，有待進一步解決。

1)由于車載移動測量系統采用連續方式進行地物點采集，采樣間隔小、數據量大，實際所需要的檢測點與之相比僅是極微小的部分，因此研究如何提高數據的有效性、減少數據冗余是目前面臨的重要問題。

2)通過對試驗中粗差產生原因進行分析，點云目標點的選擇會成為制約檢驗結果準確程度的重要因素，因此利用該類系統進行質量檢驗時，需要配備內外業生產經驗均比較豐富的技術人員，才能又快又好地完成檢驗工作。

3)在道路狀況較差時，現有設備的抗干擾能力相對較弱，需要提高測量系統在不同狀況下的穩定性。

4)由于現有設備均搭載在較大型車輛設備上，其靈活性受到限制，而外業數據檢測常常需要在距規則道路一定距離且有其他地物遮擋的環境下作業，部分區域用現有設備是不能到達的，因此需要測試在較小型、輕便設備上數據采集的可靠性和有效性，以期能最大限度地減少外業工作時間，提高質檢效率。

［1］ 吳賓，余柏蒗，岳文輝，等．一種基于車載激光掃描點云數據的單株行樹信息提取方法［J］．華東師范大學學報:自然科學版，2013，3( 2) : 38-49．

［2］ 徐建新，張光偉，羌鑫林，等．激光測量采集車在城市部件調查中的應用［J］．測繪與空間地理信息，2013，8 ( 36) : 237-239．

［3］ 戴彬，鐘若飛，胡競．基于車載激光掃描數據的城市地物三維重建研究［J］．首都師范大學學報:自然科學版，2011，32( 3) : 89-96．

［4］ 郝銘輝．車載激光掃描數據在三維地籍建模中的應用［D］．北京:中國測繪科學研究院，2011．

［5］ 李長春，薛華柱，徐克科．三維激光掃描在建筑物模型構建中的研究與實現［J］．河南理工大學學報:自然科學版，2008，27( 2) : 193-199．

［6］ 李暉，吳祿慎．三維激光掃描技術在虛擬現實中的應用［J］．南昌大學學報:工科版，2009，29( 3) : 239-242．

［7］ 葉瑋，雷邦俊，周揚．地理國情普查工作中車載移動測量系統更新DEM方法的探討［J］．測繪通報，2013 ( 8) : 58-60．

［8］ 吳曉章，謝宏全，谷風云，等．利用激光點云數據進行大比例尺地形圖測繪的方法［J］．測繪通報，2015 ( 8) : 90-92．

Application Research of Vehicle-Borne Mobile Surveying System in Quality Inspection of Large Scale Topographic Map

HOU Yajuan，GE Zhonghua

針對大比例尺地形圖質量檢驗工作中外業工作占比大、檢驗效率低的狀況，提出了利用車載移動測量系統進行大比例尺地形圖質量檢驗，設計了一套新的檢驗工作流程，并通過與常規檢驗方式的比較，驗證了新技術應用于質檢工作中的可行性和有效性，為建立高效率的質檢模式提供了全新思路。

大比例尺地形圖;質量檢驗;車載移動測量系統;激光掃描

侯亞娟( 1979—)，女，碩士生，高級工程師，主要研究方向為測繪成果質量檢驗和基礎地理信息數據應用。E-mail: 307419323@ qq．com

P234

B

0494-0911( 2015) 11-0060-04

侯亞娟，葛中華．車載移動測量系統在大比例尺地形圖質檢工作中的應用研究［J］．測繪通報，2015( 11) : 60-63．

10．13474/j．cnki．11-2246．2015．0347

2014-11-23;

2015-10-01