基于精度与效率指标的传统测绘技术与激光扫描测绘技术对比研究

董 毅

（重庆市勘测院，重庆 401121）

0.引言

测绘作为重要的基础技术手段，在交通、工民建、地质、农业等领域得到了广泛应用，同时也是各类工程建设项目开展的重要前置工程，随着工程测绘技术手段的不断发展和迭代，测绘技术的效率和精度得到大幅度提升，传统的测绘技术已逐渐被新的测绘技术替代，以GNSS为基础的激光扫描测绘技术作为现代测绘技术手段的代表已被广泛应用在土地测量和房屋测设项目中[1]；为了进一步明确新型测绘技术与传统测绘技术在测绘精度和测绘效率两方面的差异，本文特以某村民宅测绘项目为研究案例，选择“全站仪＋GNSSRTK”和激光扫描测绘两种技术分别作为传统测绘手段和尖端测绘手段的代表，通过测设建筑物的边界控制点和边界线长度，以定量分析两种技术在精度和效率方面的差异。

1.测绘技术发展历程概述

测绘技术的发展起源可追溯至几千年前，我国古代测绘技术最早应用在水利工程中，从概念组成角度分析，测量工程可细分为测绘和测设两部分，其中，测绘主要指的是针对自然或人工构造物而开展的人工测量作业，通过人工测量以明确测绘对象的外形、大小、空间方位等信息，随着测绘技术的不断发展和完善，广义的测绘还包括针对测绘数据的采集、存储和表达，主要目的是为工程技术人员提供科学准确的参数化信息；测设则位于测绘作业之后，主要是将提前采集到的点位、线路等参数信息借助专用的测绘仪器测设到实地中。目前，测绘技术在我国的应用极其广泛，基本覆盖了涉及国计民生的所有行业，尤其体现在地质勘察、交通建设、矿山规划、军事作战等领域[2]。

通过观察测量技术的发展历程可知：测量技术发展历程从技术层面可细分为简单测量、仪器测量及现代测量三个基本阶段，其中，简单测量和仪器测量可归纳为传统测量技术，传统测量技术具有原理基础且简单、手段简易、效率低下、误差大等特点，且传统测量技术在实际应用过程中存在明显的局限性。随着电子科学技术的快速发展，以GIS、GNSS等技术为代表的现代测量技术应运而生，相较于GPS技术，GNSS技术更偏向于卫星导航，而GPS技术则主要用于全球定位，但二者的工作基础均为通讯卫星，GPS技术出现较早，主要用于卫星定位，其具有定位精度高、工作不受环境条件限制、覆盖能力超强、使用便捷等突出优点，而GNSS全球导航定位技术，能够为用户提供地表及近地点的全部三维坐标信息，同时能够捕捉到当前的运行速率。总而言之，现代测量技术的出现彻底打破了传统测量技术的多种局限，实现了测量、计算、存储、显示的一体化，使得工程测量的精度、效率得到了根本性的转变。

2.全站仪联合GNSS-RTK与激光扫描测绘技术概述

2.1 全站仪联合GNSS-RTK测绘技术概述

全站仪是在经纬仪的基础上发展起来的，其实现了传统光学测绘仪器与现代电子技术的深度融合，全站仪兼顾了经纬仪和测距仪两大功能，能够满足角度、距离实时测量需求，且仪器内置微型计算机，能够对测绘数据实时编算；全站仪除了具备角度、距离、高程等数据的测设功能外，其内置了大量成型计算程序，能够实时给出测点坐标数据，且能根据需求对坐标点放样。相较于传统的测绘仪器，全站仪在测绘精度、操作便捷性、自动化程度、功能集成等方面具有不可替代的优势；目前，全站仪已广泛应用到了细部数据采集、测点放样、控制测量、施工变形监测等领域。

GNSS－RTK测绘技术一般需与全站仪联合使用，是最早的一代数字化测绘技术。依靠全站仪和GNSS－RTK信号接收设备，采用编码法将采集到的测点信息用编码代替，信息按照统一标准编码后，输入到计算机辅助软件中完成地形图的自动绘制，计算机辅助绘图工具附带地物标记、地物连线及地物闭合等功能，自动化程度较高[3]。全站仪测量受现场环境影响较大，且两点间需要满足通视要求，对于地形起伏较大的区域测绘难度更高，此外，全站仪需要配套大量的踏勘、定点、测设等专业人员，工作量较大，测量作业时间较长，综合成本更高；而GNSS－RTK测绘技术直接依靠卫星实现信号传递，无须考虑现场通视条件，且信号传递、处理无须人工干预，能够满足全天候测绘要求，因不受人为因素干扰，故其定位精度更高，但GNSS－RTK设备在信号传递过程中容易受到干扰，且测绘误差易累积[4]。为了发挥GNSS－RTK和全站仪测绘技术的优势，二者联合测图是目前主流的测设技术之一[2]。图1阐述了二者联合测图的基本流程：

图1 GNSS-RTK和全站仪联合测图流程

2.2 激光扫描测绘技术概述

三维激光扫描技术又称实景复刻技术，是工程测绘行业的革命性突破，三维激光扫描技术真正实现了测绘作业的三维立体化，三维激光扫描技术的原理是依靠扫描仪采集被测物体表面的点云信息数据，点云信息数据主要以坐标或反射强度等形式表征，通过点云数据采集，能够快速实现被测对象的三维实体建模，对比与普通的单点测量技术，其在成像密度、测绘效率、测绘精度及自动化程度等方面具有突出优势，目前已逐步成为空间数据采集测绘领域的主力之一。相较于传统的二维测设技术，激光扫描测绘技术实现了工程测绘的“扩维”[1]，其技术发展具有里程碑意义，激光扫描测绘技术依靠伺服电机能够在一定范围内快速机动，绑定在轨道上的电子扫描镜依靠激光测距原理迅速采集到实物的图像信息，通过内置的微机程序快速解码以获取实物图像表面的三维坐标及像素特征，最终通过计算机软件刻画出实体结构的三维模型。一套完整的三维激光扫描系统由扫描仪、集成电子设备、供电电源、软件程序组成，其中，扫描仪是核心设备，由一台高速测距仪、反射棱镜、偏转控制单元及数据输出器组成，部分激光扫描系统还额外配置了数码照相设备，可以实时获取被测对象的影像数据。

激光扫描测绘的对象为点云，通过表征点云的坐标值及激光反射强度，以满足单个点云的精准定位，点云函数表达式如式（1）所示：

大部分激光扫描仪采用笛卡尔坐标系，以仪器激发点为原点，z轴与竖向扫描面平行，x轴与横向扫描面重叠，且z轴与x轴保持正交，y轴正对被测实体，x、y、z轴布置满足右手定则[1]。激光扫描基准坐标布置（如图2所示）：

图2 激光扫描基准坐标布置

据图2笛卡尔坐标系及已知参数α（激光水平夹角）、θ（激光竖直夹角）、s（反射距离），能够得到式（1）所示函数的解析解，具体如式（2）所示：

三维激光扫描测绘误差产生主要受仪器设备、外部环境、仪器操作、测量方案等因素影响，由于三维激光扫描测绘仪器的精细化程度较高，设备分辨率变化、作业环境变动等微小变化均会产生明显的误差，通常情况下，仪器与被测对象直线距离越小，相应的测绘精度则越高。

3.基于精度与效率指标的测绘技术对比分析

3.1 项目概况

某村地处我国华北平原腹地，全村地形复杂，海拔高差较大，属典型的温带大陆性气候，全村村域面积0.72km2，因地形复杂多变，村内民宅宅基地轮廓欠规整，起伏较大，且宅基地、耕地分界模糊，给地块分界定线带来较大的困难；此外，村民民宅大多为自建房，由于缺乏统一的建设施工标准，导致住宅外形各异，且存在不同程度的遮盖现象，给房屋面积判断和农村不动产权籍调查工作带来较大的困难。

3.2 基于精度指标的对比分析

精度是衡量农村房屋及宅基地地籍信息测设质量的关键标准[5]，本文拟先从测设精度角度对比“全站仪＋GNSSRTK”与激光扫描测绘两种技术在房屋及宅基地边界控制点和边界线长度方面的区别，并以传统测绘技术测设结果为基准，定量判断激光扫描测绘技术的可靠性。本文特选取某民宅宅基地边界控制点共计30个，分别采用“全站仪＋GNSSRTK”和激光扫描两种测绘技术进行现场测设，并将测设误差Δ按照0和0.05基准进行误差划分[5]，具体对比结果（如图3所示）：

图3 基于测设精度的边界控制点对比示意

据图3可知：通过研究总计30个民宅宅基地边界控制点测设结果发现，“全站仪＋GNSS－RTK”和激光扫描两种测绘技术对应的测设结果的误差范围Δ基本介于［0，0.05］之间，通过定量计算有P[0，0.05]＝70%，P[0，0]＝10%，P[0.05，∪]＝20%，故误差范围Δ≤0.05的统计占比达到80%，因此，从边界控制点测绘精度角度分析，采用激光扫描测绘技术得到的测设点精度达标率为80%，已达到规范限值要求。

同上，再随机选取30个边界线长度进行误差分析，以定量判断激光扫描测绘技术的误差情况，测设误差Δ按照0.0、0.05、0.1、0.2四级基准进行误差划分[5]，具体对比结果（如图4所示）：

图4 基于测设精度的边界线长度对比示意

据图4可知：通过研究总计30个民宅宅基地界限边长测设结果发现，“全站仪＋GNSS－RTK”和激光扫描两种测绘技术对应的测设结果的误差范围Δ基本介于［0，0.05］和［0.05，0.1］之间，通过定量计算有P[0，0]＝7%、P[0，0.05]＝47%，P[0.05，0.1]＝33%，而P[0.1，0.2]＝10%、P[0.2，∪]＝3%，故误差范围Δ≤0.1的统计占比达到87%，因此，从界限边长测绘精度角度分析，采用激光扫描测绘技术得到的测设点精度达标率为87%，已达到规范限值要求。

3.3 基于效率指标的对比分析

除了测绘精度以外，随着测绘工程逐步向大体量、大数据趋势发展，测绘效率也关系到测绘工程的整体质量，故通过对比“全站仪＋GNSS－RTK”和激光扫描两种测绘技术的测绘时间，以论证激光扫描测绘技术的高效性特点；本文统计了两种测绘技术在完成全村村域0.72km2测设作业的所用时间，并按照测绘流程中的不同环节将总用时拆分，以进一步对比传统测绘技术与激光扫描测绘技术在测绘效率方面的差异。两种测绘技术对应的用时曲线（如图5所示）：

据图5可知：除成图阶段外，不论从各阶段用时还是总用时方面对比，采用激光扫描测绘技术的作业效率明显超过“全站仪＋GNSS－RTK”测绘技术，尤其在要素采集（点云采集）过程中，激光扫描测绘技术的自动化特性更高，且采用激光扫描测绘技术可跳过图根采集环节，极大地压缩了测绘作业流程，提高了外业测绘管理效率和集约化程度；虽然在后期内业成图阶段，激光扫描技术的耗时略高于“全站仪＋GNSS－RTK”测绘技术，但内业作业无须考虑安全性，且不受环境条件限制，机动性更高；综上所述，激光扫描测绘技术在测绘效率上要全面优于以“全站仪＋GNSS－RTK”为代表的传统测绘技术。

图5 两种测绘技术对应的用时曲线

3.4 基于施测难度的对比分析

本文针对某村地籍测量采用了传统的“全站仪＋GNSSRTK”技术和三维激光扫描技术，并重点针对测绘精度和测绘效率进行了对比分析，初步明确了传统测绘技术和三维激光扫描技术在地籍测绘过程中的优缺点。目前，以“全站仪＋GNSS－RTK”测绘技术为代表的传统测绘技术已经在农村地籍测量中得到了广泛应用，而三维激光扫描技术是后续发展起来的以高效率、自动化、集成化见长的新型测绘技术，在农村地籍测量中具有广阔的发展前景。传统测绘技术和新型测绘技术在测绘仪器设备、施测难度等方面存在较大差异，这也对测量人员的专业水准、技术能力提出了更高的要求，本文最后就两种测绘技术的施测难度进行了细化的对比分析。具体分析结果（如表1所示）：

表1 传统测绘技术与三维激光扫描测绘技术难度细化对比

综上所述，在选择具体的测绘技术和方案前，应综合测绘精度、测绘效率、施测难度、投入成本、使用局限性等诸多因素，最终必选出最合理的施测方案，本文根据农村地籍测量工作实际情况，针对上述两种测绘技术给出了综合比选依据。具体依据（如表2所示）：

表2 传统测绘技术与三维激光扫描测绘技术综合比选依据

4.结束语

综上所述，本文以某村地籍测绘项目为案例，从精度和效率两大指标出发，对比分析了“全站仪＋GNSS－RTK”测绘技术与激光扫描测绘技术在边界控制点误差、边界线长度误差及作业时间三方面的规律；研究结果表明：激光扫描测绘技术的精度达到“全站仪＋GNSS－RTK”测绘技术水平，且测绘效率更高，测绘管理的集约化程度得到加强。