移動測量技術在測制大比例尺地形圖中的應用

張杰

摘要：近年來，隨著科學技術特別是計算機技術的飛速發展，三維激光掃描技術應運而生，并作為一種全新的空間數據獲取方法運用于測繪領域。基于三維激光掃描技術整合全景影像采集、融合技術，形成新的測繪技術-移動測量技術，該技術摒棄了傳統測量手段的作業方法，克服了以往測繪行業的局限性，通過向被測量物體發射激光束同時進行采集全景影像的方式，能夠直觀、快速、高效地獲取地物的空間三維坐標，經點云數據的融合和全景影像拼接等數據處理，可以半自動生成數字地形圖。

關鍵詞：移動測量技術；POS數據處理；測制大比例尺地形圖；應用

1移動測量系統

1.1系統構成

移動測量系統中子系統主要包括激光掃描系統、慣性導航系統、全景影像采集系統、控制系統、電源供應系統和GNSS天線。控制系統主要負責整個移動測量系統的正常運作，包括對激光掃描儀、GNSS天線、慣性導航系統、全景相機的控制；供電系統是整個移動測量系統的電力保障。

1.2工作原理及技術關鍵

移動測量技術能夠快速獲取直接反映測量目標實時和真實形態特性的空間點云數據和全景影像數據，該系統的工作原理是：三維激光掃描發射器發出激光脈沖信號，到達物體表面發生漫反射，沿幾乎完全相同的路徑返回到接收器，從而根據反射的時間可以計算出目標點P與掃描儀中心的距離S，同時根據數據后處理結算得到掃描儀的POS數據。

1.3移動測量系統的誤差來源分析

三維激光測量技術的誤差來源大致可以分為三類誤差：儀器本身的誤差、與反射有關的誤差、外界環境條件引起的誤差等。

1.3.1儀器本身產生的誤差

儀器本身的誤差主要表現為掃描角度和激光測距產生的誤差。三維激光掃描儀角度掃描系統內部的激光光束偏轉系統是造成掃描角度產生偏差的主要來源；三維激光測距不論是脈沖式或是相位式測距，都會存在測距誤差。

1.3.2反射有關的誤差

由于掃描的物體表面材質不同，顏色不同以及路面濕滑程度不同等，都會使物體的反射率發生改變，影響掃描點的精度；另外，反射物的傾斜角度不同也會對精度產生影響。

1.3.3外界條件引起的誤差

外界因素主要體現為溫度的不同會使儀器受熱不均產生誤差，另外風力會導致儀器產生輕微的偏移或振動，儀器的姿態不穩也會產生誤差。

2內業數據處理

2.1點云數據處理

2.1.1 POS處理流程概述

POS處理是把數據采集過程中的移動站（R7）、基站（R4）的GPS原始信息導出并在IE軟件下進行GNSS解算，加以慣導數據耦合，從而得到平滑的GPS軌跡的過程。

2.1.2 數據準備

（1）GNSS數據準備

導出原始數據并利用ConvertToRINEX將移動站和基站的數據轉換為IE軟件支持的GPB格式文件。

（2）IMU數據準備

利用IMU轉換工具，將慣導輸出的原始文件.Nav進行轉換。轉換完成后，可以在存放*.nav文件的目錄下看到有幾個文件生成，*.bin文件為raw格式的慣導數據，*.txt為實時慣導數據，*.nav為慣導的原始數據，*._out.txt為調試信息文件；其中，*.imr與IE軟件支持的格式有出入，需做進一步轉換后才能使用。

（3）DMI數據準備

將原始數據中的*.dmr拷貝到新建的GNSS后處理工程目錄下的IMU文件夾下。

2.1.3POS解算

（1）工程目錄的建立

為了便于管理，工程目錄的建立依據數據采集的時間建立，并在該目錄下，新建基站、移動站、IMU及IE工程文件夾。

（2）GNSS解算

① 移動站和基站的GPS數據生成GPS軌跡打開Inertial Explorer，導入移動站原始數據（R7.14o），設置移動站天線型號為TRM55970.00，選擇基站原始數據，設置基站參數，利用Inertial Explorer得到GPS軌跡。② 慣導原始（*.imr）數據修正GPS軌跡加入慣性導航數據，因為GPS密度較低，沒有姿態信息，需要慣性導航數據提供姿態信息；同時，在GPS失鎖的情況下，也需要慣性導航數據來輔助獲取位置和姿態的信息。利用IE軟件將慣導的.bin文件轉換為.imr文件使之能在IE下使用，向工程添加完*.imr后得到其軌跡，接下來進入耦合，得到加入慣性導航數據后修正后GPS軌跡。③ DMI數據（*.dmr）修正GPS軌跡將*.dmr文件拷貝至存有mu的文件夾下，利用Inertial Explorer，加上新進入的.dmr文件進行耦合，得到加入DMI數據后修正后GPS軌跡。至此，POS數據的處理已基本完成，得到耦合后平滑的GPS軌跡。

2.1.4數據精度分析

（1）位置誤差分析縱坐標表示偏差的值，橫坐標表示GPS時間（周每秒）；通過分析位置精度曲線，可以確定誤差的大致范圍以及最大誤差為多少。（2）姿態誤差分析縱坐標表示偏差的數值，橫坐標表示GPS時間（周每秒）；通過分析姿態上的變化，可以看出姿態的偏差及偏差的范圍和程度。（3）GPS信號分析縱坐標表示衛星的顆數，橫坐標表示GPS的時間（周每秒）；通過分析衛星顆數，可以查看某一時間段內GPS信號的強弱，若衛星顆數多則表明當前GPS信號良好，若衛星數量少，則說明當前GPS信號不好。

2.2全景影像拼接

連續全景影像的采集系統一般由視頻采集設備、GPS接收器、移動工作站及配套設備組成。車輛頂部架設全景視頻采集設備和GPS接收器，在車輛行駛過程中采集道路周邊360°的全景視頻和坐標。采集中，一個場景由多張圖片和一個坐標組成，經圖像拼接與融合后得到球面投影的全景幀。連續采集的全景幀經過視頻處理后，就得到連續全景影像數據，其中每一幀都對應一個坐標。球面投影的全景影像在實踐中，因受城市樓宇與樹木的遮擋，GPS設備采集的坐標并不準確，而視頻設備的采集頻率要比GPS采集頻率高很多。因此，不可能針對每一幀都獲得一個高精度的坐標。一般是通過加裝慣性導航單元（IMU）等硬件設備來獲得每一幀的坐標或者姿態。連續全景影像采集過程中，因采集車輛正前方或正后方的物體距離攝像機較遠，汽車的直線運動不會引起這些景物在連續兩個全景幀中同名像素的坐標變化，而其轉向或顛簸運動會引起俯仰角變化，從而引起同名像素的坐標變化。根據這一現象，可以通過跟蹤連續全景影像正前方或正后方同名像素的坐標變化來解算連續影像的航向與俯仰角度變化。

參考文獻：

[1] 張養安， 李俊鋒， 薛兆元，等. 車載移動測量系統在大比例尺地圖測量和更新中的應用[J]. 北京測繪， 2016（6）：115-118.

（作者單位：61243部隊）