閆宏昌,陳代鑫,呂建偉

(1.蘭州交通大學(xué) 測(cè)繪與地理信息學(xué)院，地理國(guó)情監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，甘肅省地理國(guó)情監(jiān)測(cè)工程實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000;2.甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 天水 741020)

移動(dòng)掃描系統(tǒng)具有不接觸物體、速度快、施測(cè)的精度高、獲取的信息豐富等特點(diǎn)，已然在測(cè)繪及建筑領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前，由于數(shù)據(jù)采集方式的不同可以將移動(dòng)掃描系統(tǒng)分成三類，其中，地面掃描系統(tǒng)包括靜態(tài)的和背負(fù)式的，而靜態(tài)三維激光掃描需要大量的基準(zhǔn)站架設(shè)工作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，掃描效率低，基站視野要求開(kāi)闊，且容易造成地物的遺漏;移動(dòng)車(chē)載掃描適用在車(chē)輛能夠通行的寬闊的街道或建筑物排列比較整齊的場(chǎng)地等，并且受作業(yè)方式的限制，無(wú)法在建筑物內(nèi)進(jìn)行作業(yè)。

RTK-SLAMTM背負(fù)式激光雷達(dá)測(cè)繪機(jī)器人是在傳統(tǒng)的移動(dòng)式三維激光測(cè)量的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改善數(shù)據(jù)采集方式，采用背負(fù)式激光掃描，克服了環(huán)境對(duì)測(cè)量的限制，如GPS信號(hào)、地形等，提高了數(shù)據(jù)采集的便攜性和適用性。

1 數(shù)據(jù)的采集及數(shù)據(jù)處理

1.1 數(shù)據(jù)采集

本文主要以歐思徠(北京)智能科技有限公司生產(chǎn)的移動(dòng)掃描系統(tǒng)采集設(shè)備，如圖1所示，儀器參數(shù)如表1所示，采集甘肅某高校校園地形圖，通過(guò)實(shí)際采集數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)作業(yè)方式做精度對(duì)比，驗(yàn)證了背負(fù)式移動(dòng)掃描系統(tǒng)在進(jìn)行大比例尺地形圖測(cè)繪時(shí)的高效性和高精度性。本次的數(shù)據(jù)采集范圍主要為學(xué)校建筑物的外圍立面和校園內(nèi)部，背負(fù)式移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)采集流程主要包括數(shù)據(jù)采集路線的規(guī)劃，架設(shè)靜態(tài)GPS接收機(jī)，初始化掃描系統(tǒng)，實(shí)地?cái)?shù)據(jù)采集，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理等。

圖1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備結(jié)構(gòu)

表1 主要技術(shù)參數(shù)

外業(yè)數(shù)據(jù)采集步驟主要為：

(1)使用Google Earth了解校園的現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)數(shù)據(jù)采集的整體路線進(jìn)行規(guī)劃。

(2)實(shí)地架設(shè)GPS基準(zhǔn)站，對(duì)移動(dòng)掃描系統(tǒng)進(jìn)行初始化。根據(jù)已經(jīng)規(guī)劃好的路徑，完成現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，測(cè)區(qū)總面積約0.27 km2，內(nèi)外業(yè)采集數(shù)據(jù)用時(shí)80 min。

(3)數(shù)據(jù)預(yù)處理。將采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，輸出具有彩色信息的“.las”點(diǎn)云數(shù)據(jù),如圖2所示。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)

(4)成果輸出。輸出具有RGB屬性的點(diǎn)云數(shù)據(jù)及行走軌跡和全景照片。

(5)數(shù)據(jù)融合。對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)抽稀處理，實(shí)現(xiàn)與全景照片的精細(xì)疊合，如圖3所示。

圖3 點(diǎn)云融合全景影像

1.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

OmniSLAM Mapper是背負(fù)式激光雷達(dá)測(cè)繪機(jī)器人的配套處理軟件，可將背負(fù)式激光雷達(dá)測(cè)繪機(jī)器人采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化處理，得到校園的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、軌跡數(shù)據(jù)等。

2 測(cè)繪成果精度評(píng)價(jià)

利用前面處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)其量測(cè)精度進(jìn)行驗(yàn)證，分別驗(yàn)證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平面絕對(duì)位置精度、高程精度，平面相對(duì)精度。

2.1 平面絕對(duì)位置精度

采用提取點(diǎn)云特征點(diǎn)對(duì)比全站儀測(cè)量坐標(biāo)的方法，檢查平面絕對(duì)位置精度，具體實(shí)施步驟如下：

(1)將處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)使用Cyclone進(jìn)行平面剖切，獲取完整的剖切處點(diǎn)云數(shù)據(jù)，切片厚度約2 cm。

表2 平面精度對(duì)比/m

(2)對(duì)得到的剖切點(diǎn)云檢索接近檢查點(diǎn)的近鄰域點(diǎn)云。

(3)采用最小二乘平面擬合算法[9]選取精確的魯棒數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代，擬合出比較精確的地形特征點(diǎn)。

(4)采用最小平方中位數(shù)算法對(duì)近鄰域中的點(diǎn)云選擇適宜的直線模型。

(5)采用擬合的方法，將擬合得到的直線模型作為基礎(chǔ)模型，通過(guò)迭代特征值最小二乘算法對(duì)原始點(diǎn)集不斷進(jìn)行擬合，以達(dá)到剔除異常點(diǎn)云的目的，使該模型能夠達(dá)到最為精煉的效果，最終能夠得到精確的直線模型。

(6)刪除直線模型擬合所采用的近鄰域點(diǎn)云，利用剩余的近鄰域點(diǎn)云再次執(zhí)行前面步驟，反復(fù)進(jìn)行迭代，直到最終的點(diǎn)云數(shù)量少于設(shè)定的限值時(shí)，停止迭代。

(7)這時(shí)就得到了一組擬合直線模型，確定擬合直線模型的交點(diǎn)。選擇近鄰域內(nèi)距離與待檢查特征點(diǎn)最近的交點(diǎn)作為坐標(biāo)比對(duì)點(diǎn)。

將擬合得到的直線模型交點(diǎn)與全站儀測(cè)得地形圖上同名點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)精度比對(duì)。計(jì)算平面點(diǎn)位的中誤差，評(píng)定平面點(diǎn)位的絕對(duì)精度。

依據(jù)現(xiàn)行的國(guó)家測(cè)繪成果標(biāo)準(zhǔn)《測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》(GB/T24356-2009)所采用提取高精度檢測(cè)點(diǎn)的方法進(jìn)行對(duì)比分析，利用公式(1)進(jìn)行精度檢測(cè)，最終得到的結(jié)果如表2所示。

(1)

由表2可知，平面點(diǎn)位中誤差為±0.027 m，最大點(diǎn)位誤差為JC013的0.042 m。依據(jù)《工程測(cè)量規(guī)范》(GB50026-2007)中對(duì)平面點(diǎn)位的精度要求，一般地區(qū)圖上點(diǎn)位中誤差為±0.800 m，相應(yīng)的1:500比例尺地形圖平面中誤差限差為±0.400 m。因此，利用RTK-SLAMTM背負(fù)式激光雷達(dá)測(cè)繪機(jī)器人測(cè)繪的點(diǎn)云精度，能夠滿足測(cè)繪1：500比例尺地形圖的精度要求。

2.2 高程精度

大比例尺地形圖的高程精度檢查主要是通過(guò)對(duì)高程注記點(diǎn)以及等高線高程插求點(diǎn)的精度檢查。通過(guò)采用濾波的擬合算法將外業(yè)采集到的彩色的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割成為地面上的點(diǎn)和非地面點(diǎn)，在地面點(diǎn)中，通過(guò)擬選擇高程點(diǎn)的范圍確定近鄰域高程點(diǎn)集，計(jì)算該近鄰域點(diǎn)集的重心，作為高程檢查最終的點(diǎn)云高程。然后，用該點(diǎn)云高程值與全站儀測(cè)得的該點(diǎn)的高程值做精度對(duì)比。

表3 高程精度對(duì)比/m

依據(jù)《工程測(cè)量規(guī)范》(GB 50026-2007)中平面點(diǎn)位的精度要求，一般平坦地區(qū)，高程中誤差為1/3倍等高距，相應(yīng)的1: 500地形圖所要求的高程中誤差為±0.167 m。由此可見(jiàn)，利用背負(fù)式移動(dòng)掃描系統(tǒng)點(diǎn)云精度測(cè)繪的1:500地形圖的測(cè)繪精度明顯優(yōu)于上述規(guī)范的要求。

2.3 平面相對(duì)精度

平面相對(duì)點(diǎn)位精度驗(yàn)證主要通過(guò)在三維點(diǎn)云或者點(diǎn)云切片中，人工采取點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到面的交互式測(cè)量模式，去量測(cè)點(diǎn)云地物點(diǎn)間距及地物的邊長(zhǎng)，與實(shí)際環(huán)境中采用鋼卷尺及全站儀量取相對(duì)應(yīng)邊長(zhǎng)或間距進(jìn)行比較，計(jì)算間距較差中誤差，以此去評(píng)價(jià)背負(fù)式測(cè)量機(jī)器人量測(cè)平面相對(duì)位置的精度。

2.3.1 室外數(shù)據(jù)

在進(jìn)行室外數(shù)據(jù)采集的時(shí)候，首先，應(yīng)根據(jù)實(shí)地的環(huán)境進(jìn)行采集路線的規(guī)劃，從而提高數(shù)據(jù)采集的效率和點(diǎn)云質(zhì)量。其次，使用采集設(shè)備環(huán)繞場(chǎng)地進(jìn)行室外數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到OmniSLAM Mapper中，選取廣告牌、花壇、臺(tái)階、石磚、路標(biāo)牌等作為特征地物，如圖4所示。再次，利用測(cè)距儀、鋼卷尺實(shí)地丈量該特征地物的尺寸，將所采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與該數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出中誤差。

圖4 特征地物量取示意圖

表4 室外特征地物尺寸對(duì)比/m

通過(guò)表4可以得出，背包機(jī)器人采集的數(shù)據(jù)精度大部分在厘米級(jí)，其中，車(chē)輛減速帶的中誤差最大達(dá)到0.033 m，究其原因，主要是由于減速帶獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)較稀，且減速帶距離儀器較遠(yuǎn)，所以點(diǎn)云間隔較大，誤差也較大。在進(jìn)行距離對(duì)比時(shí)，選點(diǎn)的誤差對(duì)其精度也有影響，通過(guò)計(jì)算最后得到室外的量測(cè)中誤差為0.018 m。

2.3.2 室內(nèi)數(shù)據(jù)

該數(shù)據(jù)采集的過(guò)程與室外數(shù)據(jù)采集的方式基本保持一致，通過(guò)采用背包機(jī)器人采集到的數(shù)據(jù)與鋼卷尺量測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，獲取室內(nèi)數(shù)據(jù)采集的中誤差。

通過(guò)外業(yè)實(shí)測(cè)與內(nèi)業(yè)計(jì)算最終得到室內(nèi)點(diǎn)云中誤差為0.016 m，其中，最大中誤差為窗戶的中誤差為0.033 m，究其原因，主要是與玻璃的反光及采集的距離有關(guān)。

表5 室內(nèi)特征地物尺寸對(duì)比/m

3 時(shí)間效率對(duì)比評(píng)價(jià)

分別使用全站儀和GPS-RTK組合測(cè)量的方式和背負(fù)式移動(dòng)掃描系統(tǒng)測(cè)量某高校1.1 km2大比例尺地形圖，通過(guò)時(shí)間效率對(duì)比，得出的對(duì)比圖如圖5所示。

圖5 測(cè)區(qū)時(shí)間效率對(duì)比

如圖可知，背負(fù)式移動(dòng)掃描測(cè)量系統(tǒng)明顯縮短了外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)間，運(yùn)用本系統(tǒng)進(jìn)行地形測(cè)量不需要進(jìn)行圖根點(diǎn)測(cè)量，并且基準(zhǔn)站測(cè)量時(shí)間有效縮短。兩種測(cè)量模式內(nèi)業(yè)成圖和補(bǔ)測(cè)時(shí)間大致相同。背負(fù)式移動(dòng)掃描測(cè)量方法時(shí)間效率優(yōu)勢(shì)在野外地形要素采集時(shí)間，把大量的野外勞動(dòng)轉(zhuǎn)移到內(nèi)業(yè)工作，同時(shí)節(jié)約了一半的作業(yè)時(shí)間，從整體工作上提高的時(shí)間效率約50%。

4 結(jié) 論

實(shí)踐證明，將背負(fù)式移動(dòng)掃描系統(tǒng)應(yīng)用于大比例尺地形圖的測(cè)繪是完全可行的，并且精度能夠滿足1:500比例尺地形圖的測(cè)繪要求。與傳統(tǒng)的測(cè)繪方式相比，背負(fù)式移動(dòng)掃描系統(tǒng)具有施測(cè)方式靈活、施測(cè)精度高、速度快、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)該系統(tǒng)應(yīng)用于大比例尺地形圖測(cè)繪進(jìn)行深入分析，所得結(jié)論如下：

(1)由于點(diǎn)云的選取誤差直接影響了最終測(cè)量的精度，所以提出了一種在近鄰域中如何選取精確坐標(biāo)點(diǎn)云的方法。

(2)通過(guò)對(duì)背包機(jī)器人與全站儀量測(cè)的CGCS2000坐標(biāo)進(jìn)行比較，最終得出，背包機(jī)器人不僅能滿足大比例尺地形圖中平面精度與高程精度的要求，而且測(cè)量精度較高。

(3)通過(guò)對(duì)背包機(jī)器人與鋼卷尺量測(cè)的相對(duì)精度比較得出，室內(nèi)量測(cè)精度要優(yōu)于室外量測(cè)精度，并且該系統(tǒng)能滿足在無(wú)GNSS信號(hào)的條件下施測(cè)，對(duì)以后的地下室量測(cè)具有現(xiàn)實(shí)意義。

(4)從背包機(jī)器人與常規(guī)測(cè)量手段的施測(cè)效率對(duì)比分析，明顯看出該設(shè)備的優(yōu)越性。

由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)普遍存在噪點(diǎn)的原因，顯現(xiàn)出使用該方法的局限性，而且由于該系統(tǒng)測(cè)量距離的局限，使得點(diǎn)云數(shù)據(jù)易出現(xiàn)空洞現(xiàn)象，將激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與攝影測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)可彌補(bǔ)該系統(tǒng)的不足。