馬錦山，金萬軍，郭德福

(西寧市測(cè)繪院，青海 西寧 810001)

基于徠卡Pegasus：Two移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)的地形圖測(cè)繪

馬錦山*，金萬軍，郭德福

(西寧市測(cè)繪院，青海 西寧 810001)

隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)測(cè)繪產(chǎn)品的精度和更新速度越加關(guān)注，傳統(tǒng)測(cè)繪已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足社會(huì)發(fā)展的需求，而且讓機(jī)器代理人的勞動(dòng)不僅會(huì)減少成本更會(huì)增加效率。本文主要介紹如何運(yùn)用徠卡Pegasus：Two移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)做地形圖測(cè)繪，并通過比對(duì)來檢查它所能達(dá)到精度，看是否能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)繪方式，實(shí)現(xiàn)外業(yè)向內(nèi)業(yè)的轉(zhuǎn)型。

地形圖測(cè)繪；移動(dòng)激光掃描；EPS

1 引 言

傳統(tǒng)的地形圖測(cè)繪，需要大量的測(cè)繪人員和設(shè)備(GNSS和全站儀)，按照一定的編排組或自己特殊的工作方式組，到項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)繪工作。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)測(cè)量工作精度和效率的要求也越來越高，傳統(tǒng)的測(cè)繪方式已經(jīng)無法跟上社會(huì)發(fā)展的腳步。移動(dòng)車載掃描系統(tǒng)具有快捷、方便、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、全數(shù)字化、靈活、非接觸等特點(diǎn)，可以迅速獲取對(duì)象物體的空間三維數(shù)據(jù)，同傳統(tǒng)的測(cè)量方式相比，其獲取數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和方式，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)量方法的弊端。譬如利用該項(xiàng)技術(shù)對(duì)某一區(qū)域掃描，采集點(diǎn)位密度大，數(shù)據(jù)信息豐富，可以真實(shí)反映現(xiàn)實(shí)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化測(cè)繪，同時(shí)帶來工作效率提高，勞動(dòng)強(qiáng)度降低，測(cè)繪投入費(fèi)用減少等諸多好處[1～3]。

西寧市測(cè)繪院于2017年引進(jìn)了徠卡Pegasus：Two移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)，此裝備已經(jīng)開始試運(yùn)行，可安裝在汽車、火車，對(duì)不同類型的環(huán)境、地形快速移動(dòng)掃描，尤其是在地形圖測(cè)繪、道路橫斷面分析中發(fā)揮了重要的作用。移動(dòng)測(cè)繪系統(tǒng)使用的徠卡Pegasus：Two移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)通過非接觸獲取豐富的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，方便我們對(duì)相關(guān)需要的信息提取，繪制出需要的地形圖，本次我們選擇湟中縣迎賓路作為測(cè)試掃描對(duì)象進(jìn)行作業(yè)。

2 作業(yè)原理

移動(dòng)式激光掃描系統(tǒng)，是基于車載平臺(tái)，由全球定位系統(tǒng)(GNSS)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(IMU)、車輪里程計(jì)、全景相機(jī)系統(tǒng)結(jié)合站載式三維激光掃描系統(tǒng)組合而成的。外業(yè)采集過程中，利用GNSS全球定位系統(tǒng)以最高可達(dá) 20 Hz的頻率實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)當(dāng)前位置，IMU慣導(dǎo)系統(tǒng)以 200 Hz的頻率實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)姿態(tài)角、加速度，輔以DMI車輪里程計(jì)獲取車輛行駛距離，加上同一時(shí)段的靜態(tài)GNSS基站或CORS參考站觀測(cè)數(shù)據(jù)，采集完成后通過后差分解算處理，得到系統(tǒng)的精確運(yùn)行軌跡。有了每一時(shí)刻的軌跡位置以及連續(xù)記錄的相機(jī)影像和三維激光掃描點(diǎn)云，在軟件中自動(dòng)匹配對(duì)應(yīng)時(shí)刻的軌跡位置和姿態(tài)，最終生成精確的帶有絕對(duì)位置的三維點(diǎn)云和全景影像，點(diǎn)云上每一點(diǎn)都具有絕對(duì)位置坐標(biāo)。

激光測(cè)距是三維激光掃描技術(shù)的核心，三維激光掃描的工作過程，實(shí)際上就是一個(gè)不斷重復(fù)的數(shù)據(jù)采集和處理的過程。從獲取掃描反射接收的激光強(qiáng)度，對(duì)掃描點(diǎn)進(jìn)行顏色灰度的匹配。對(duì)于激光掃描儀而言，采樣點(diǎn)是系統(tǒng)局部坐標(biāo)，以掃描儀的軸系中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，一般X、Y軸在局部坐標(biāo)系的水平面上，Y軸常為掃描儀掃描方向，Z軸為垂向方向。由此，可得掃描目標(biāo)點(diǎn)P的坐標(biāo)(XS、YS、ZS)的計(jì)算公式[4～5]，如圖1所示：

圖1 三維激光掃描基本原理

3 技術(shù)路線

利用所獲取的密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在AutoP自動(dòng)數(shù)據(jù)處理軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后利用處理好點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過Mapfactory地理信息提取軟件，可半自動(dòng)的生成道路線形、路燈、廣告牌、道路斷面等，看著影像成圖，根據(jù)不同要素建立圖層，并作線畫圖。將這些圖層導(dǎo)入到清華山維EPS軟件中換碼即可，具體流程如圖2所示：

圖2 工作流程圖

3.1測(cè)前規(guī)劃

應(yīng)用徠卡車載三維激光掃描系統(tǒng)測(cè)量之前，最重要的一步就是規(guī)劃，規(guī)劃的好壞直接影響到工作的效率和成果的精度。規(guī)劃主要包括對(duì)路線、車速、控制點(diǎn)、基站等。路線規(guī)劃就是對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)的道路走向要深入了解，在測(cè)區(qū)附近要尋找天空開放的、車輛可以繞8字的場(chǎng)地進(jìn)行初始化校準(zhǔn)，在校準(zhǔn)和開始掃描作業(yè)前要盡量保證GNSS信號(hào)良好，盡量不要通過樹木遮擋嚴(yán)重，或隧道等影響信號(hào)的地方。同時(shí)要考慮測(cè)區(qū)每 10 km～20 km半徑要架設(shè)至少一個(gè)GNSS基站或CORS站，基站架設(shè)的位置要開闊，要離信號(hào)塔等有信號(hào)干擾的地方至少 200 m，若測(cè)區(qū)范圍內(nèi)有大于 80 m的隧道需要規(guī)劃布設(shè)控制點(diǎn)。一切規(guī)劃做好和校檢場(chǎng)地選好后就可以開始外業(yè)數(shù)據(jù)采集。

3.2外業(yè)數(shù)據(jù)采集

首先進(jìn)行設(shè)備安裝，一般需要3人～4人。將主機(jī)抬至車頂行李架橫桿上，用螺栓和墊片固定；再將電池箱放置于后備廂中，用一根電源線纜連接電池箱和主機(jī)即可，安裝設(shè)備如圖3所示。

圖3設(shè)備安裝圖

圖4 外業(yè)掃描流程示意圖

其次，按照外業(yè)掃描方案設(shè)計(jì)的路線和時(shí)間進(jìn)行掃描，一般需要1名司機(jī)、1名～2名采集技術(shù)員。采集開始前，首先需要進(jìn)行系統(tǒng)初始化，GNSS靜態(tài)觀測(cè) 5 min，接著進(jìn)行車輛繞行8字，加、減速等步驟，目的是聯(lián)合校準(zhǔn)GNSS與慣導(dǎo)系統(tǒng)。初始化完成后，即可前往測(cè)區(qū)路線開始測(cè)量。采集完成后，前往開闊地帶，GNSS靜態(tài)觀測(cè) 5 min，結(jié)束時(shí)可視測(cè)區(qū)衛(wèi)星信號(hào)情況而選擇是否進(jìn)行8字繞行。至此，可結(jié)束當(dāng)前測(cè)量任務(wù)，或繼續(xù)進(jìn)行下一測(cè)量任務(wù)。任務(wù)采集期間推薦速度為 10 km/h～60 km/h；避免長(zhǎng)時(shí)間停車，禁止倒車；車輛盡量保持在道路中央，遠(yuǎn)離路旁樹木建筑，最大程度避免GNSS信號(hào)遮擋；遇到大型車輛，盡量超車或避讓，避免掃描儀遮擋。外業(yè)掃描設(shè)計(jì)方案如圖4所示：

3.3車載移動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)處理

車載移動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)處理需分為以下幾部分進(jìn)行。

(1)軌跡解算

軌跡解算應(yīng)用徠卡測(cè)量系統(tǒng)的IE(Inertial Explorer)軟件，IE是用于軌跡位置及姿態(tài)解算的軟件，由NovAtel提供。精確解算軌跡位置、速率及姿態(tài)，滿足各項(xiàng)應(yīng)用的需求。通過緊密耦合集成GNSS、IMU慣導(dǎo)、DMI里程計(jì)數(shù)據(jù)，Inertial Explorer可以提供精確的結(jié)果。IE操作簡(jiǎn)便，處理結(jié)果有較大的改善。圖5是解算后的軌跡，通過圖6軌跡結(jié)算成果文件可以看出精度達(dá)標(biāo)。

圖5 解算后的軌跡

圖6 解算后的軌跡文件

(2)AutoP點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)處理

Leica AutoP(Pegasus Automatic Processing)是徠卡測(cè)量系統(tǒng)專門用于Pegasus車載測(cè)量系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)處理的軟件，如圖7所示。它可以一鍵全自動(dòng)掛機(jī)處理采集的數(shù)據(jù)，同時(shí)生成影像、點(diǎn)云、導(dǎo)出數(shù)據(jù)，操作簡(jiǎn)便，功能豐富，內(nèi)容包括：提取影像數(shù)據(jù)、生成外方位元素，提取激光數(shù)據(jù)、生成激光點(diǎn)云，拼接360°全景照片，點(diǎn)云RGB著色，還支持導(dǎo)出其他標(biāo)準(zhǔn)格式的影像和點(diǎn)云。圖8是AutoP處理完的點(diǎn)云和影像的效果圖。處理完的成果坐標(biāo)為WGS84坐標(biāo)，如果需要本地坐標(biāo)則可以通過infinity軟件將點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)通過點(diǎn)對(duì)校正的方式轉(zhuǎn)換成本地坐標(biāo)。

圖7 AutoP中處理

圖8 點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)對(duì)比

(3)在Mapfactory中做線畫

將AutoP中處理完的結(jié)果加入到Mapfactory中后，不同的地理要素創(chuàng)建不同的圖層并進(jìn)行線畫。主要是利用軟件的點(diǎn)云篩選和視角切換功能對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行過濾顯示，在過濾后的點(diǎn)云上完成特征線和點(diǎn)的采集，當(dāng)采集路邊線數(shù)據(jù)時(shí)，可將高于路面的點(diǎn)云暫時(shí)過濾掉，僅利用路面部分點(diǎn)云進(jìn)行特征線的采集，對(duì)于路燈廣告牌等設(shè)施在Mapfactory可以實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)的提取，大大減少了內(nèi)業(yè)處理的時(shí)間。通過此種方法，可以較快地獲取建筑物、路邊線、綠化帶等特征地物的特征點(diǎn)和特征線，同時(shí)，為了避免遺漏或者看不清部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)可以將影像數(shù)據(jù)疊加進(jìn)來，邊看影像邊畫。最后按圖層導(dǎo)成.shp格式。如圖9所示為做出的成果圖：

圖9 Mapfactory中的線畫圖

圖10 最終成果圖

圖11 精度對(duì)比圖

(4)在EPS中換碼

EPS軟件是我院統(tǒng)一的制圖及入庫平臺(tái)。將導(dǎo)出來的shp格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入到EPS中，并根據(jù)不同的層進(jìn)行換碼構(gòu)面[6]，并導(dǎo)出edb格式的地形圖，如圖10所示為最終成果。將成果數(shù)據(jù)加載到之前用全站儀的采集的 1∶500地形圖成果數(shù)據(jù)中對(duì)比可以看出最高精度可以達(dá)到 1 cm，總體精度能夠保證在 5 cm以內(nèi)，基本上滿足 1∶500地形圖測(cè)繪，如圖11所示。

4 結(jié) 語

相較于傳統(tǒng)測(cè)量，徠卡PegasusTwo移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)，不僅能獲得更密集的點(diǎn)位坐標(biāo)數(shù)據(jù)，還極大地節(jié)省了人力和物力的投入。隨著時(shí)代的發(fā)展傳統(tǒng)測(cè)繪勢(shì)必將會(huì)被新型的測(cè)繪產(chǎn)品所取代。將外業(yè)轉(zhuǎn)化為內(nèi)業(yè)已經(jīng)是種趨勢(shì)，通過上述精度我們發(fā)現(xiàn)三維激光掃描儀將會(huì)加快這一趨勢(shì)[7]。大數(shù)據(jù)時(shí)代，我們將會(huì)用徠卡PegasusTwo移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)獲取海量的地理信息數(shù)據(jù)，不斷研究它所能提供的測(cè)繪產(chǎn)品，為政府和社會(huì)提供更快速、更準(zhǔn)確的測(cè)繪地理信息產(chǎn)品。

[1] 張攀科，裴亮，王留召等. 車載激光掃描系統(tǒng)在地籍測(cè)量中的應(yīng)用[J]. 測(cè)繪科學(xué)，2015，39(9)：163～166.

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[4] 侯亞娟，葛中華. 車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在大比例尺地形圖質(zhì)檢工作中的應(yīng)用研究[J]. 測(cè)繪通報(bào)，2015(11)：60～63.

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[6] 梁玉斌. 面向建筑測(cè)繪的地面激光掃描模式識(shí)別方法研究[D]. 武漢：武漢大學(xué)，2013

[7] 李蕓. 機(jī)載激光雷達(dá)(LiDAR)的數(shù)據(jù)處理和山區(qū)脊谷特征提取研究[D]. 西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2013.

BasedontheLeicaPegasus：TwoMobileLaserScanningTopographicSurveyoftheSystem

Ma Jinshan，Jin Wanjun，Guo Defu

(Xining Institute of Surveying and Mapping，Xining 810001，China)

With the progress of time，accuracy and speed of surveying and mapping products are getting more and more attention. While traditional surveying and mapping cannot satisfy the requirement of social development，machine agents labor will not only reduce the cost but also increase the efficiency. This paper mainly introduces how to use the leica Pegasus：Two mobile laser scanning systems for topographic survey，which can achieve its accuracy by checking and comparison，finding whether can replace the traditional way of surveying and mappying in the field of industry transformation.

topographic survey；mobile laser scanning；EPS

1672-8262(2017)05-119-04

P234.4

B

2017—07—15

馬錦山(1992—)，男，助理工程師，主要從事三維激光掃描應(yīng)用研究。