车载移动测量系统在大比例尺地形图质检工作中的应用研究

侯亚娟，葛中华

车载移动测量系统在大比例尺地形图质检工作中的应用研究

侯亚娟，葛中华

(浙江省测绘质量监督检验站，浙江杭州310012)

一、引言

随着激光扫描技术的不断发展，车载移动测量技术如今已成为获取高分辨率空间信息的一种重要技术手段，并广泛应用于城市规划、工业生产及测绘等多个领域。它具有高精度、高分辨率、操作方便、实时、可在夜间测量、作业效率高、成图周期短、能进行连续和动态测量等一系列优点，其出现和发展为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段，目前该类系统的应用方式和应用领域是国内外研究的热点。吴宾等利用车载激光扫描点数据提取组成单株行道树的激光点，并以此提取行树的树高、冠幅等生物特性［1］;徐建新等将三维点云数据和全景影像合成真实三维场景，用于实现城市部件数据的内业采集，克服了利用大比例尺地形图进行部件调查时在几何精度和要素表达完整性方面的不足［2］;戴彬等提出了一种基于地物分类的点云三维重建方法，实现了建筑三维模型的快速构建［3］;郝铭辉等将车载激光扫描数据应用于日常土地管理工作，实现了在三维地籍建模中的应用［4］;李长春、李晖等对三维激光扫描技术在建筑物模型构建或虚拟现实中的应用进行了有益的探索［5-6］。但鲜有车载移动测量系统应用于测绘成果质量检查与验收的文献。

测绘成果质量检查与验收是测绘生产项目全过程中非常重要的一环，它通过对样本质量的检查和评定来核定批成果质量，其检验结论最终成为项目验收的质量依据。近年来尽管航空摄影测量与遥感等测绘技术的变革有效地减轻了测图生产各环节的工作量，但就大比例尺地形图成果质量检验而言，一直以来在检测方法与检测手段上并未发生显著变化和改进，其主要工作仍然是利用外业工作进行数学精度检测点的采集和地理要素的巡视检查，工作量没有实质性降低。随着数字城市建设工作的切实推进，大比例尺地形图的更新频率不断加快，外业工作占比大的大比例尺数据质量检验项目已成为制约测绘成果质检部门工作效率提高的瓶颈问题，研究“大内业、小外业、高效率、全天候”的质量检验方法和技术已迫在眉睫。

二、试验车载移动测量系统

本次试验所采用的车载移动测量设备是由武汉大学测绘学院与宁波市测绘设计研究院联合开发的车载三维立体影像采集系统。该系统是一个多传感器集成的自动化数据采集系统，可以实时完成载体的GPS定位、姿态解算、城市三维空间信息的激光点云数据及全景影像数据的采集。系统的位姿传感器由GPS、惯性测量单元IMU及车轮编码器组成，并以一定的采样频率获取移动测量系统的姿态和位置;影像传感器包括激光扫描仪、全景相机，其中利用激光扫描仪获取目标的三维几何信息，而全景相机则获取目标的纹理特征。

该系统采用的激光扫描仪在非高速模式下，其有效扫描范围为1．5～600 m，百米内测距精度为0．005 m，测角精度为0．000 5°，可以满足大比例尺地形图检验工作对设备几何精度的要求。全景相机由8个CCD构成，每个CCD传感器大小为2454像素× 2056像素，像素大小为3．45 μm，在车辆行驶途中同步采集多个方向的影像信息，制作全景影像以辅助作业时对地物的准确判定。系统使用到的各种设备均被固定在移动平台上，并系统标定其严格的几何关系，同时采用计算机时间和GPS作为时间基准，通过同步控制系统保证所有传感器与平台的运动和姿态同步进行。

三、大比例尺地形图成果质量检验过程

1．工作流程设计

大比例尺地形图成果质量检验是综合利用内、外业的各种技术手段，通过实测、巡视等方式对样本图空间参考系、数学精度、完整性、表征质量等质量元素进行检核的过程。

用车载移动测量系统进行大比例尺地形图成果质量检验包括:①首先需根据测区数据生产的总体情况选择检验样本，以样本图中地物和道路的分布特点去规划车辆行驶路径，进行外业点云数据和全景影像的同步获取;②根据采集的数据在内业进行点云和影像数据预处理;③在数据浏览和编辑软件中叠加点云与全景影像，准确地选取精度检测点用于评价样本图幅的精度情况;④在全景影像中目视浏览地物概况，检查数据中地物表达的完整性和正确性，并同步对图幅表征质量、附件质量等其他检查项进行检核;⑤当样本图幅由于道路密度较低或地物较为复杂而全景影像不能完全而清晰地反映地物特点时，需要适当增加部分外业工作以配合完成样本区的巡视检查;⑥根据各检查项的检查情况对质量子元素、质量元素和样本图幅进行分数评定，由此核定批成果质量，并出具检验报告。应用车载移动测量系统进行大比例尺地形图质量检验工作流程如图1所示。

2．检验样本的选取

为综合评定车载移动测量系统点云成果数学精度的可靠性和全景影像代替巡视的可行性，本次试验选择了两个区域、共4幅1∶2000图作为试验区，分别位于某镇政府和某水库附近。

试验区的选定基于以下3个原因:①为检验地势的急剧变化时，点云的数学精度是否依然能满足质检工作的需要，选择的样本图区域内地势总体较为平坦，但道路上有小范围的起伏;②考虑到道路路面宽度和铺设材料会对车辆在行驶过程中造成一定的颠簸，因而试验区域范围内既有水泥或沥青等条件较好的硬化地表，也有城乡接合部的泥土路面单车道道路，在某镇政府附近为水泥硬化路面的双向2车道道路，在某水库附近为泥土路面的单车道路面;③实际精度检验工作中对检测点的选取是整个图幅范围内各种类型地物点的随机取样，而不是限定在道路两侧不远区域，同时在激光扫描仪的有效测程范围内其精度是否均能满足检验工作要求，因而本试验区道路两侧地物距离道路中心线约5～200 m。

图1 车载移动测量系统应用于质检工作流程

3．激光扫描数据采集

为提高点云数据精度，移动测量系统外业数据采集时采用差分GPS方式使用参考站和车辆流动站的观测数据进行联合平差。

系统装备的扫描仪采用单侧采集的方式对地物进行扫描，同一条道路需要来回两次才能完成行驶路径两侧数据的采集操作。本次试验车辆行驶路径共约6 km，有效采点耗时合计90 min。车辆行驶轨迹如图2所示。

图2 车辆行驶轨迹

4．激光扫描数据处理

测量车在完成数据采集工作后，即可在内业对数据进行处理，该部分工作的主要内容有点云数据解算、点云与影像的融合及全景影像拼接处理。这些步骤均已实现了程序自动化处理，需要人工干预的工作相对较少，对节省检验人员数量具有积极意义。本次试验中的点云数据文件在转换成LAS格式后总量约5 GB，同步采集的全景照片多达数十GB。整个内业处理工作需1个熟练工程师耗费约3 h，最大时间消耗发生在程序自动化处理环节，约8 h。解算后的点云按高程分层设色后的效果如图3、图4所示，全景像拼接后效果如图5所示。

图3 按高程分层设色后的点云(俯视)

图4 按高程分层设色后的点云(侧视)

图5 拼接后的全景影像

5．点云数据精度分析

试验采用2″级全站仪外业采集检测数据并对选取的点云特征点进行精度检核，以衡量点云应用于大比例尺地形图检验工作的精度有效性。

( 1)特征点选取

特征点的选取是试验成败的关键，因为精度的有效性直接关系车载移动测量方法应用于质量检验工作的可行性。为准确而有效地选择检测特征点，首先将外业实测数据展点在样本地形图中，同时根据外业测点时对实测点点位的描述信息，利用点云编辑软件进行特征点的选取和采集。少量点云中未生成的房屋角点，实际选点工作中通过多点交汇的方式解算求取。

本测区外业数据检测采集各类精度检测点共1048个，试验样本范围内共有实测点138个，其中有效的平面精度检测点134个，高程精度检测点40个。整个特征点选点工作量为一个工程师1 d的工作量。实测点与特征点分布情况如图6所示。

图6 实测点与精度检测特征点分布

( 2)精度评价

根据《测绘成果质量检查与验收》( GB/T 24356—2009)的规定，采用高精度数据进行精度检测时，中误差按下式计算

式中，M为成果中误差; n为检测点(边)中误差;Δi为较差。

经计算，平面位置误差分布统计和高程误差分布统计分别见表1、表2。

表1 平面位置误差分布统计表

表2 高程误差分布统计表

粗差点分析:本次134个数据点中有9个粗差点，经数据检查与核对，有6个为数据选点有误造成，另外3个为未进行点的交汇求解而引起。

6．全景影像地物巡视

在本次试验中利用点云与全景球配准后在内业进行地物巡视检查，能有效减少外业工作量，具有可反复检视和全天候的优点;但受限于图幅内道路网密度、可通达性及相机分辨率等因素，其有效检测范围相对于全野外巡视有一定的局限性。

四、结果比较

试验表明，利用车载移动测量系统进行1∶2000大比例尺地形图质量检验，其数学精度较高，能满足现行国家相关规范对检验工作的要求;同时，与常规数据检验方式相比，在节省外业作业时间、减少不良天气影响等方面具有独特优势，对建立“大内业、小外业、高效率、全天候”的检验方式具有重要意义。本次试验区两种检验方式的详细对比情况见表3。

表3 两种检验方式的对比

五、结束语

本次试验结果表明，利用车载移动测量系统进行大比例尺地形图质量检验是可行且高效的。但是由于激光扫描技术仍然是相对较新的技术，应用该技术进行成果质量检验时还面临部分问题，有待进一步解决。

1)由于车载移动测量系统采用连续方式进行地物点采集，采样间隔小、数据量大，实际所需要的检测点与之相比仅是极微小的部分，因此研究如何提高数据的有效性、减少数据冗余是目前面临的重要问题。

2)通过对试验中粗差产生原因进行分析，点云目标点的选择会成为制约检验结果准确程度的重要因素，因此利用该类系统进行质量检验时，需要配备内外业生产经验均比较丰富的技术人员，才能又快又好地完成检验工作。

3)在道路状况较差时，现有设备的抗干扰能力相对较弱，需要提高测量系统在不同状况下的稳定性。

4)由于现有设备均搭载在较大型车辆设备上，其灵活性受到限制，而外业数据检测常常需要在距规则道路一定距离且有其他地物遮挡的环境下作业，部分区域用现有设备是不能到达的，因此需要测试在较小型、轻便设备上数据采集的可靠性和有效性，以期能最大限度地减少外业工作时间，提高质检效率。

［1］ 吴宾，余柏蒗，岳文辉，等．一种基于车载激光扫描点云数据的单株行树信息提取方法［J］．华东师范大学学报:自然科学版，2013，3( 2) : 38-49．

［2］ 徐建新，张光伟，羌鑫林，等．激光测量采集车在城市部件调查中的应用［J］．测绘与空间地理信息，2013，8 ( 36) : 237-239．

［3］ 戴彬，钟若飞，胡竞．基于车载激光扫描数据的城市地物三维重建研究［J］．首都师范大学学报:自然科学版，2011，32( 3) : 89-96．

［4］ 郝铭辉．车载激光扫描数据在三维地籍建模中的应用［D］．北京:中国测绘科学研究院，2011．

［5］ 李长春，薛华柱，徐克科．三维激光扫描在建筑物模型构建中的研究与实现［J］．河南理工大学学报:自然科学版，2008，27( 2) : 193-199．

［6］ 李晖，吴禄慎．三维激光扫描技术在虚拟现实中的应用［J］．南昌大学学报:工科版，2009，29( 3) : 239-242．

［7］ 叶玮，雷邦俊，周扬．地理国情普查工作中车载移动测量系统更新DEM方法的探讨［J］．测绘通报，2013 ( 8) : 58-60．

［8］ 吴晓章，谢宏全，谷风云，等．利用激光点云数据进行大比例尺地形图测绘的方法［J］．测绘通报，2015 ( 8) : 90-92．

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

HOU Yajuan，GE Zhonghua

针对大比例尺地形图质量检验工作中外业工作占比大、检验效率低的状况，提出了利用车载移动测量系统进行大比例尺地形图质量检验，设计了一套新的检验工作流程，并通过与常规检验方式的比较，验证了新技术应用于质检工作中的可行性和有效性，为建立高效率的质检模式提供了全新思路。

大比例尺地形图;质量检验;车载移动测量系统;激光扫描

侯亚娟( 1979—)，女，硕士生，高级工程师，主要研究方向为测绘成果质量检验和基础地理信息数据应用。E-mail: 307419323@ qq．com

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B

0494-0911( 2015) 11-0060-04

侯亚娟，葛中华．车载移动测量系统在大比例尺地形图质检工作中的应用研究［J］．测绘通报，2015( 11) : 60-63．

10．13474/j．cnki．11-2246．2015．0347

2014-11-23;

2015-10-01