背负式移动激光扫描系统测绘大比例尺地形图精度试验研究

谢宏全，陈岳涛，赵 芳，田董炜，卢 霞

(淮海工学院测绘与海洋信息学院，江苏 连云港 222005)

随着三维激光扫描技术的发展，为满足不同领域的需求，各种三维激光扫描设备应运而生[1]。国内许多学者针对不同类型的三维激光扫描设备进行了应用研究。结合GNSS技术的移动三维激光扫描仪系统，克服了扫描仪需要稳定平台的瓶颈，实现了激光点云快速自动拼接，可快速获取高分辨率街道或建筑外层空间三维激光点云数据，但在室外有高大绿化植被遮挡和室内无GNSS信号时无法进行精细扫描[2-6]。地面式三维激光扫描仪虽然扫描精度较高，但在面对大场景复杂环境时，存在工作效率低、后期点云数据处理量大等诸多问题[7-8]。背负式移动激光扫描系统采用SLAM(simultaneous localization and mapping)技术，结合GNSS与SLAM的技术优点，具备了对室内外场景数据快速连续采集的能力[9]。本文利用徕卡Pegasus Backpacks采集了苏州工业园区测绘地理信息大楼的点云数据绘制1∶500地形图，并通过传统测量方法对其点云数据成果进行精度分析。

1 点云数据获取与预处理

1.1 点云数据获取

苏州工业园区测绘地理信息大楼位于苏州市南施街与苏虹中路交叉口东南侧，楼体结构呈U字形。首先规划好扫描路线，分别在大楼东西南北4个方向地面上布设4个两两通视靶标，用于三维激光点云绝对位置精度修正和绝对高程转换[10]。将靶标中心作为图根点，应用GPS快速静态的方法测得靶标中心苏州独立坐标系下的平面坐标，并按照四等水准测量标准测量靶标中心的高程。将徕卡Pegasus Backpacks放置在开阔无遮挡的环境下应用室外模式，利用GNSS接收机接收4～5 min数据，然后缓缓背起设备激活IMU，进入测区开始扫描。当遇到高达树木遮挡无GNSS信号时，切换到室内模式(SLAM)采集数据，GNSS信号恢复后切换回室外模式。绕大楼行走扫描一圈约30 min，扫描完毕后，将扫描数据下载到U盘中。

1.2 点云数据预处理

打开U盘，对扫描数据进行预处理，具体如下：

(1) 应用Inertial Explorer软件通过GNSS基站数据和徕卡Pegasus Backpacks流动站数据解算出运动轨迹并导出轨迹文件。

(2) 应用Infinity软件，通过设置椭球参数、坐标转换七参数、投影方式等将激光点云的坐标系统转换为苏州独立坐标系统。

(3) 应用AoTumatic Processing软件，将Inertial Explorer解算的轨迹文件作为室内模式采集数据的导航文件，经SLAM模块解算后导出为新的轨迹文件，并利用新的轨迹文件和扫描文件，生成带有徕卡Pegasus Backpacks姿态信息的轨迹后通过GPST(GPS Time)时间对齐，生成三维激光点云数据，导出LAS格式三维点云模型(如图1所示)。

2 地形图制作

由于真彩色点云是根据连续影像与原始点云进行配准所得到的，在配准过程中存在一定的贴图误差，故使用原始点云进行地形图绘制[11]。地形图制作步骤具体如下：

(1) 利用图根点将三维点云进行平面位置精度修正和高程转换。

(2) 使用提取特征点功能提取绘制地形图所需特征点。

(3) 将特征点按照《城市测量规范》(JJ/T 8—2011)的表示方法和取舍原则在MicroStation V8联图中绘制出1∶500地形图[12]。

(4) 依据《1∶500 1∶1000 1∶2000外业数字测图技术规程》(GB/T 14912—2005)，使用全站仪+GPS RTK传统测量的方法，测量地物、地貌等各项地形要素，在MicroStation V8联图绘制地形图[13]。

3 精度对比分析

3.1 地形图对比

将两幅绘制好的1∶500地形图在MicroStation V8联图软件中叠合后[14]，如图2所示，其中灰色为传统测量绘制的地形图，黑色为徕卡Pegasus Backpacks测量系统绘制的地形图。进行对比分析可以发现两幅地形图基本重合，只有一小部分不一致，其原因可能为：

(1) 部分绿化植被的遮挡导致部分点云部分缺失，进而造成了两幅地形图的不一致。

(2) 在RealWorks手动采集路灯特征点的点位与全站仪外业采集的路灯点位存在一定的选点误差，造成了两幅地形图上的路灯点位不一致。

(3) 由于三维点云密度较大，在RealWorks中可连续提取道路拐弯处多个特征点；传统测量为节省外业时间，在道路拐弯处通常采用小弯测量3个点、大弯测量5个点的作业方法。因此利用三维点云提取的特征点绘制的地形图道路曲线比传统测量方法更精确，从而导致了两幅地形图道路拐弯处不一致。

3.2 点云精度分析

选取均匀覆盖整个测区20个检测点进行点云精度分析，并在检测点上贴上纸质靶标。利用全站仪测得靶标中心坐标作为真实值，再在点云模型中提取靶标中心坐标。取全站仪坐标和点云坐标的较差(如图3所示)。依据《测绘成果质量检查与验收》(GB/T 24356—2009)，利用式(1)进行精度检测。

(1)

由图3可以看出，点位中误差为0.054 m，高程中误差为0.058 m。依据《工程测量规范》(GB 50026—2007)，一般地区图上点位中误差 0.8 mm，相应 1∶500测图平面中误差限差为 0.400 m；一般平坦地区，高程中误差为 1/3倍等高距，相应 1∶500测图所要求的高程中误差为 0.167 m[15]。由此可知，徕卡Pegasus Backpacks获取的点云精度符合规范要求。

3.3 作业效率对比分析

分别将两种测量方法的内外业时间、作业人数等进行对比，分析两种方法的作业效率，对比内容见表1。

表1 两种测量方法效率对比

由表1可知：

(1) 利用徕卡Pegasus Backpack制作1∶500地形图的时间比全站仪+GPS RTK绘制1∶500地形图的时间要长0.5 h，但是外业时间大大缩短且内业大部分时间是计算机自动处理，因此相对来说大幅度降低了作业强度。

(2) 在作业人员数量上，徕卡Pegasus Backpack只需投入1人，全站仪+GPS RTK则需要投入3人，大大节省了人力成本。

(3) 在软件的使用上，徕卡Pegasus Backpack需要利用的软件数量较多且操作步骤相对复杂，要求测量人员掌握更多的软件操作。

4 结 语

试验证明将徕卡Pegasus Backpack应用于大比例尺地形图制作完全满足规范要求。背负式移动激光扫描系统同样适用于建筑BIM的获取与构建、土石方量计算、变形监测、城市部件采集等测绘领域，其采用的SLAM技术在地下空间测量、室内定位与导航领域极具优势。