車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在大比例尺地形圖數(shù)學(xué)精度檢測(cè)中的應(yīng)用

陸玉祥，萬(wàn)曉莉，常 岑，朱婷婷

(1. 江蘇省測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站，江蘇 南京 210013；2. 江蘇省蘇測(cè)信息科技有限公司，江蘇 南京 211111； 3. 江蘇省測(cè)繪工程院，江蘇 南京 210013)

大比例尺地形圖是基礎(chǔ)測(cè)繪產(chǎn)品之一，數(shù)學(xué)精度是測(cè)繪質(zhì)量檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)評(píng)價(jià)其質(zhì)量的一項(xiàng)元素，主要包括數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、平面精度和高程精度。傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法檢測(cè)平面精度時(shí)，采用全站儀或GPS接收機(jī)外業(yè)散點(diǎn)法，采集地物點(diǎn)坐標(biāo)與成果坐標(biāo)進(jìn)行比較；檢測(cè)高程精度則使用GPS接收機(jī)利用網(wǎng)絡(luò)RTK獲取檢測(cè)點(diǎn)的正常高并與成果高程進(jìn)行比較。該方法精度高，檢驗(yàn)結(jié)果可靠，但在大范圍使用時(shí)，需要占用大量?jī)x器設(shè)備和人員，且耗時(shí)長(zhǎng)。車(chē)載移動(dòng)測(cè)量技術(shù)能夠機(jī)動(dòng)、快速、高效地采集地理空間信息數(shù)據(jù)，目前已廣泛應(yīng)用于智慧城市、國(guó)情監(jiān)測(cè)、部件調(diào)查等地理空間信息采集領(lǐng)域。文獻(xiàn)[1]通過(guò)試驗(yàn)分析了車(chē)速和控制點(diǎn)分布對(duì)于車(chē)載移動(dòng)測(cè)量精度的影響。文獻(xiàn)[2]介紹了利用車(chē)載移動(dòng)測(cè)量技術(shù)繪制大比例尺地形圖的技術(shù)流程，并與傳統(tǒng)方法進(jìn)行了比較。文獻(xiàn)[3]利用車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)某區(qū)域1∶2000大比例尺地形圖進(jìn)行了質(zhì)檢。為了確保車(chē)載移動(dòng)測(cè)量檢測(cè)得到結(jié)論的可靠性，有必要對(duì)其數(shù)學(xué)精度檢測(cè)的有效性進(jìn)行分析。

1 車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

本次試驗(yàn)采集設(shè)備為北京四維遠(yuǎn)見(jiàn)信息技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SSW RT系列。該設(shè)備由激光掃描儀、CCD相機(jī)、GNSS、IMU及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)集成而成，并搭載在小型SUV上，如圖1所示。作業(yè)時(shí)速可達(dá)50 km/h，其中激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集速率為500 000點(diǎn)/s，點(diǎn)密度為400點(diǎn)/m2，測(cè)距有效距離約100 m。流動(dòng)站GPS數(shù)據(jù)采樣率為10 Hz/s，IMU采樣率為200 Hz/s。

2 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

為了驗(yàn)證利用車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)大比例尺地形圖數(shù)學(xué)精度的有效性，首先在位于江蘇省中部地勢(shì)平坦、水網(wǎng)密集的某市域范圍內(nèi)，選擇部分已經(jīng)完成1∶1000地形圖更新的區(qū)域進(jìn)行隨機(jī)抽樣，分別利用車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)和“全站儀+RTK”的檢驗(yàn)方法對(duì)抽檢樣本的數(shù)學(xué)精度進(jìn)行檢驗(yàn)。在獲得該方法有效性的基礎(chǔ)上，對(duì)該市全市域地形圖成果進(jìn)行抽樣質(zhì)檢，分析該方法的效率。

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集是獲取三維數(shù)據(jù)的核心內(nèi)容，其質(zhì)量直接影響最終成果的使用。在進(jìn)行外業(yè)采集作業(yè)之前，先要根據(jù)任務(wù)選擇合適的儀器設(shè)備，為了滿足1∶1000地形圖的檢驗(yàn)要求，此次試驗(yàn)選擇的設(shè)備帶有激光慣性導(dǎo)航。其次，根據(jù)樣本區(qū)域的實(shí)際情況(如地形、空氣環(huán)境、道路寬度、道路限高、上下班高峰期等)合理規(guī)劃采集線路，路線規(guī)劃的好壞會(huì)影響數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量、效率和數(shù)據(jù)冗余程度。當(dāng)測(cè)區(qū)內(nèi)有較寬的道路時(shí)，需要規(guī)劃多次往返測(cè)量，因?yàn)檠貟呙杈€方向，點(diǎn)間距會(huì)隨著地物與激光掃描中心的距離增加而增加，導(dǎo)致點(diǎn)云密度降低，影響采集精度。如圖2所示，在進(jìn)行測(cè)量采集作業(yè)時(shí)，要保證行車(chē)速度穩(wěn)定，不可忽快忽慢，并避免倒車(chē)、急剎車(chē)、急加速。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理主要包括組合導(dǎo)航解算、 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理和點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算3部分內(nèi)容。組合導(dǎo)航解算是為后續(xù)求解點(diǎn)云坐標(biāo)作準(zhǔn)備；點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理則是將原始測(cè)量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)軟件解析處理，生成通用的點(diǎn)云格式文件，同時(shí)還可以根據(jù)實(shí)際情況加入必要改正(如測(cè)距修正、加常乘數(shù)和有效距離等)；點(diǎn)云解算是利用相關(guān)軟件將預(yù)處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件有選擇地解析為WGS-84坐標(biāo)或當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)上述程序處理完的點(diǎn)云數(shù)據(jù)即可提供給不同需求的用戶使用。

2.3 檢測(cè)點(diǎn)提取

在驗(yàn)證利用車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)大比例尺地形圖數(shù)學(xué)精度的有效性時(shí)，采用Topcon GPT3002LN型全站儀和Trimble R8 GPS接收機(jī)進(jìn)行外業(yè)檢測(cè)點(diǎn)采集。點(diǎn)云數(shù)據(jù)中相應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)的提取是評(píng)價(jià)點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度的關(guān)鍵，本試驗(yàn)主要利用點(diǎn)云處理軟件將外業(yè)采集的檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)加載進(jìn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，然后設(shè)定搜索半徑，自動(dòng)將外業(yè)采集檢測(cè)點(diǎn)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的地物點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配對(duì)比，以衡量點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度是否滿足大比例尺地形圖數(shù)學(xué)精度檢測(cè)的要求。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)1

為了驗(yàn)證車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)大比例尺地形圖數(shù)學(xué)精度的有效性，共抽取了18幅1∶1000地形圖(共2 km2區(qū)域)作為樣本進(jìn)行試驗(yàn)。所抽樣本區(qū)域內(nèi)既有建筑密度高，房屋低矮，地下管線、路燈、消防栓、電力桿等公共服務(wù)設(shè)施齊全的城鎮(zhèn)區(qū)域，同時(shí)也覆蓋了部分地表空曠、地物稀少的郊區(qū)和農(nóng)村地區(qū)，抽檢區(qū)域路網(wǎng)發(fā)達(dá)，均有硬質(zhì)水泥路，便于車(chē)輛行駛，如圖3所示。

檢測(cè)數(shù)據(jù)包括平面點(diǎn)121個(gè)，高程點(diǎn)121個(gè)，由3名工程師7 h完成外業(yè)采集工作，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理由1名工程師耗時(shí)0.75 h完成。抽檢樣本區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)由2名工程師和1名駕駛員耗時(shí)約1.5 h采集完成，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理耗時(shí)約8 h，內(nèi)業(yè)由1名工程師0.5 h完成數(shù)據(jù)處理，共采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)70 GB。

根據(jù)《測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》(GB/T 24356—2009)的規(guī)定，高精度檢測(cè)時(shí)，中誤差計(jì)算公式為

(1)

經(jīng)計(jì)算，得到車(chē)載移動(dòng)測(cè)量激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平面和高程中誤差統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表1。

表1 精度統(tǒng)計(jì)

從表1可以看出，移動(dòng)車(chē)載測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)平面和高程中誤差均小于1/3標(biāo)準(zhǔn)中誤差，表明車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)可以滿足現(xiàn)有國(guó)家規(guī)范的要求，可用于對(duì)1∶1000大比例尺地形圖的數(shù)學(xué)精度進(jìn)行檢測(cè)。

3.2 試驗(yàn)2

為了分析移動(dòng)車(chē)載測(cè)量系統(tǒng)對(duì)大范圍大比例尺地形圖的檢測(cè)能力，利用其對(duì)某市全市域1∶1000航測(cè)地形圖項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)學(xué)精度檢測(cè)。根據(jù)《測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》(GB/T 24356—2009)的規(guī)定共抽取樣本720幅，涉及檢測(cè)范圍約180 km2。車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)與常規(guī)方法檢測(cè)工作量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 兩種檢驗(yàn)方法比較

注：常規(guī)方法工作量統(tǒng)計(jì)由試驗(yàn)1推算得出，兩種方法的外業(yè)工作時(shí)間均未包含轉(zhuǎn)場(chǎng)和途中時(shí)間。

從表2可以看出，在外業(yè)數(shù)據(jù)采集階段，車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，所耗工作時(shí)間僅為常規(guī)方法的1/17；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)解算完全由計(jì)算機(jī)進(jìn)行，耗費(fèi)時(shí)間要比常規(guī)方法數(shù)據(jù)處理時(shí)間多；由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大，針對(duì)某市全市域抽樣檢測(cè)時(shí)，耗費(fèi)的存儲(chǔ)空間較大，而常規(guī)方法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量十分有限。

4 結(jié) 論

(1) 通過(guò)試驗(yàn)可以得出，利用車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)1∶1000大比例尺地形圖進(jìn)行數(shù)學(xué)精度檢測(cè)，可以滿足現(xiàn)有國(guó)家規(guī)范的要求。

(2) 在局部小范圍大比例地形圖質(zhì)檢過(guò)程中，車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)與常規(guī)方法相比，效率優(yōu)勢(shì)并不明顯，數(shù)據(jù)解算耗時(shí)較長(zhǎng)。

(3) 在大范圍對(duì)地形圖進(jìn)行質(zhì)檢時(shí)，與常規(guī)方法相比，車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)外業(yè)作業(yè)時(shí)間大大減少，雖然數(shù)據(jù)處理時(shí)間耗費(fèi)較長(zhǎng)，但這一過(guò)程完全由計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行處理，無(wú)需人工干預(yù)，能夠有效節(jié)約人力成本。

由于現(xiàn)有車(chē)載移動(dòng)測(cè)量車(chē)采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大，與傳統(tǒng)方法相比占用存儲(chǔ)空間較大，同時(shí)還需要耗費(fèi)大量時(shí)間解算其點(diǎn)云坐標(biāo)，因此下一步研究車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)如何有針對(duì)性地采集地物，減少冗余數(shù)據(jù)，提高有效數(shù)據(jù)解算效率是十分重要的。