秦紅艷

(廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 ，廣東 廣州 510060)

精度檢測(cè)是測(cè)繪成果質(zhì)量檢查驗(yàn)收的主要內(nèi)容[1]。精度檢測(cè)主要包括平面絕對(duì)位置精度、平面相對(duì)位置精度(地物點(diǎn)間距精度)、高程精度檢測(cè)、地理精度檢測(cè)。傳統(tǒng)測(cè)繪成果精度檢測(cè)過程復(fù)雜，包括架設(shè)儀器野外實(shí)測(cè)檢查平面絕對(duì)位置精度、高程精度；現(xiàn)場(chǎng)采用皮尺或測(cè)距儀檢查平面相對(duì)位置精度；現(xiàn)場(chǎng)巡視比對(duì)的方式檢查地理精度。

三維激光掃描儀是測(cè)繪領(lǐng)域的新技術(shù)，獲取的數(shù)據(jù)由點(diǎn)云和影像組成，不僅記錄了地物地貌的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和尺寸信息，更能自動(dòng)記錄其拓?fù)湫畔?、紋理信息[2]，已在古建筑保護(hù)[3]、數(shù)字城市[4]、地形測(cè)繪等方面得到應(yīng)用[5-7]。然而，其測(cè)繪成果的檢測(cè)仍采用傳統(tǒng)測(cè)繪成果檢測(cè)方法[8]。

發(fā)明專利“地面激光掃描儀測(cè)量地形的方法”[9]采用地面三維激光掃描儀實(shí)現(xiàn)對(duì)大比例尺地形圖的測(cè)量，使得外業(yè)測(cè)量效率與傳統(tǒng)方法相比提高3～4倍，自動(dòng)化程度顯著提高，減輕了測(cè)量人員的外業(yè)工作量。本文在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)全面地研究采用三維激光掃描技術(shù)檢測(cè)測(cè)繪成果精度的方法，并驗(yàn)證其可靠性和效率。本方法與文獻(xiàn)[9]的專利共同構(gòu)成完整的三維激光掃描測(cè)繪生產(chǎn)技術(shù)體系。

1 檢測(cè)方案

如圖1所示采用三維激光掃描技術(shù)獲取高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)[9]，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取檢查點(diǎn)、高程點(diǎn)等元素，檢測(cè)測(cè)繪成果的精度。具體技術(shù)流程如下：

1)抽取檢查樣本，選擇擬檢測(cè)地形圖圖幅，確定檢查區(qū)域；

2)采集檢查區(qū)域點(diǎn)云及測(cè)站站心大地坐標(biāo)；

3)檢查區(qū)域內(nèi)各測(cè)站數(shù)據(jù)拼接及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；

4)利用站心大地坐標(biāo)對(duì)點(diǎn)云精度自檢；

5)采用檢測(cè)合格的點(diǎn)云數(shù)據(jù)檢測(cè)大比例尺地形圖的平面絕對(duì)位置精度、高程精度、平面相對(duì)位置精度、地理精度。

圖1 精度檢測(cè)的技術(shù)流程

2 測(cè)繪成果指標(biāo)及樣本抽取

2.1 檢測(cè)對(duì)象

選擇2016年廣州市某地形測(cè)繪項(xiàng)目的C作業(yè)區(qū)，檢測(cè)對(duì)象為全野外數(shù)字化測(cè)圖方法測(cè)繪的1∶500地形圖，包含居民地、農(nóng)田、池塘、植被、山地等典型地理要素。

2.2 測(cè)繪基準(zhǔn)及分幅標(biāo)準(zhǔn)

采用廣州市平面坐標(biāo)系統(tǒng)、廣州市高程系統(tǒng)，分幅標(biāo)準(zhǔn)采用廣州市地形圖分幅及編號(hào)。

2.3 地形圖精度要求

等高距采用0.5 m，城市建筑區(qū)高程注記點(diǎn)相對(duì)于鄰近圖根點(diǎn)的高程中誤差不得大于±15 cm。其它地區(qū)高程精度以等高線插求點(diǎn)的高程中誤差來(lái)衡量，平地和丘陵地的等高線插求點(diǎn)的高程中誤差分別為1/3和1/2基本等高距。明顯地物點(diǎn)相對(duì)于鄰近控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差及地物間距要求見表1。

表1 地物點(diǎn)點(diǎn)位中誤差與間距中誤差 cm

2.4 檢查樣本

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1]在待檢測(cè)的地形圖中抽取檢查圖幅，確定檢查區(qū)域分布。

3 高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

采用RieGL VZ400三維激光掃描儀及同軸GPS進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集(儀器安置于汽車頂部)[9]。在抽取的圖幅范圍實(shí)施360°掃描(車輛制動(dòng))，點(diǎn)云密度設(shè)為4～6 cm(距離儀器100 m處的點(diǎn)間距)，掃描測(cè)站間的距離不宜大于50 m。采用廣州市GZCORS網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站，在滿足RTK作業(yè)條件的區(qū)域，同步采用GPS-RTK測(cè)量站心大地坐標(biāo)。

本案例在該作業(yè)區(qū)地形圖質(zhì)量檢測(cè)中共掃描測(cè)量86站，其中GZCORS-RTK同步測(cè)量62站。

3.2 點(diǎn)云拼接及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

為了減小拼接累積誤差，本文對(duì)較大區(qū)域細(xì)分，使細(xì)分測(cè)塊內(nèi)測(cè)站數(shù)控制在5～30個(gè)測(cè)站以內(nèi)，按照測(cè)塊分別進(jìn)行點(diǎn)云拼接和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。由于本文旨在地形圖的精度檢測(cè)，不存在制圖接邊問題，所以區(qū)域劃分不需要沿河流、道路劃分，增加了區(qū)域劃分的自由度。

各分塊內(nèi)測(cè)站配準(zhǔn)，先選擇一個(gè)視野開闊的測(cè)站，作為固定的基準(zhǔn)測(cè)站，其他測(cè)站兩兩依次拼接。 拼接分為兩個(gè)步驟：粗拼接和拼接調(diào)整。粗拼接選擇4個(gè)同名地物點(diǎn)，拼接殘差在1～6 cm以內(nèi)。拼接調(diào)整采用ICP算法，提高匹配精度[10]。

在測(cè)塊周邊和中心選擇5個(gè)已測(cè)大地坐標(biāo)的站心點(diǎn)，將測(cè)塊點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)下[11]，轉(zhuǎn)換后內(nèi)符合精度計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換內(nèi)符合精度計(jì)算表 m

3.3 點(diǎn)云精度自檢

比較測(cè)塊GPS測(cè)量的站心點(diǎn)坐標(biāo)與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的站心坐標(biāo)，計(jì)算測(cè)塊點(diǎn)云精度。如果不滿足精度要求，重新選擇四角或周邊站心大地坐標(biāo)，重復(fù)步驟三的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；若仍不能滿足精度要求，則對(duì)測(cè)塊再次一分為二，重復(fù)執(zhí)行步驟三的拼接誤差調(diào)整和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。本文某測(cè)塊點(diǎn)云外符合精度計(jì)算見表3。

表3 點(diǎn)云外符合精度計(jì)算表 m

4 測(cè)繪成果精度評(píng)價(jià)

利用自檢合格的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)繪成果平面絕對(duì)位置精度、高程精度、平面相對(duì)位置精度、地理精度的檢測(cè)。

4.1 平面絕對(duì)位置精度

采用擬合提取特征點(diǎn)比對(duì)坐標(biāo)的方法檢測(cè)平面絕對(duì)位置精度，實(shí)施步驟：

1)點(diǎn)云按照平行于XOY面水平剖切，參照點(diǎn)云的完整性選擇剖切處的點(diǎn)云高度，切片厚度1～2 cm，得到切片點(diǎn)云；

2)在切片點(diǎn)云中檢索擬檢測(cè)地形特征點(diǎn)的近鄰域點(diǎn)云；

3)采用魯棒迭代最小二乘算法基于近鄰域點(diǎn)云擬合地形特征點(diǎn)[12]：

step1 對(duì)近鄰域點(diǎn)云采用最小平方中位數(shù)法選擇擬合的直線模型；

step2 將該直線模型作為初始模型迭代調(diào)用最小二乘法，通過逐漸剔除異常點(diǎn)，不斷精煉模型，得到最終精確的直線模型；

step3 刪除直線模型擬合所采用的點(diǎn)云，利用剩余點(diǎn)云再次執(zhí)行a、b。當(dāng)剩余點(diǎn)云數(shù)目少于某設(shè)定閾值時(shí)，停止迭代；

step4 擬合得到一組直線模型；

step5 計(jì)算直線的彼此交點(diǎn)，一般房屋、圍墻等角點(diǎn)的近鄰域內(nèi)只會(huì)得到兩條直線；如圖2所示當(dāng)近鄰域內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)交點(diǎn)時(shí)，選擇距離擬檢測(cè)地形特征點(diǎn)最近的點(diǎn)作為比對(duì)點(diǎn)。

圖2 切片點(diǎn)云擬合特征點(diǎn)

4)與地形圖上特征點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，對(duì)于超限的比對(duì)點(diǎn)，依次交互式檢查，剔除算法擬合的錯(cuò)誤交點(diǎn)；

5)將點(diǎn)云中提取的特征點(diǎn)與地形圖同名點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)比對(duì)，計(jì)算平面點(diǎn)位的較差中誤差，評(píng)價(jià)地形圖平面絕對(duì)位置精度。

4.2 高程精度

地形圖高程精度檢測(cè)主要是高程注記點(diǎn)和等高線插求點(diǎn)的高程精度檢測(cè)。比較方法可以采用算法擬合或在三維點(diǎn)云中交互式提取。算法擬合步驟如下：

1)采用濾波算法將三維點(diǎn)云分割為地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)[13-14]；

2)在地面點(diǎn)中，根據(jù)擬檢測(cè)高程點(diǎn)搜索近鄰域點(diǎn)集(點(diǎn)數(shù)可設(shè)為10個(gè)左右)；

3)計(jì)算近鄰域點(diǎn)集的重心，作為點(diǎn)云擬合高程。

本實(shí)施案例將擬合或者交互式提取的高程點(diǎn)，與地形高程點(diǎn)的高程進(jìn)行比較，計(jì)算高程較差中誤差，評(píng)價(jià)地形圖的高程精度。圖3所示為地面點(diǎn)云與地形圖疊加，高程點(diǎn)和點(diǎn)云比較顯示效果。

圖3 高程注記點(diǎn)與激光點(diǎn)云高程的比較

4.3 平面相對(duì)位置精度

通過在三維點(diǎn)云或者切片點(diǎn)云中采取點(diǎn)到面、點(diǎn)到點(diǎn)的人機(jī)交互式測(cè)量模式[15]，量測(cè)地物點(diǎn)間距、地物的邊長(zhǎng)，與地形圖中對(duì)應(yīng)邊長(zhǎng)或間距進(jìn)行比較，計(jì)算間距較差中誤差，評(píng)價(jià)地形圖的平面相對(duì)位置精度。

4.4 地理精度

三維點(diǎn)云具備“所見即所得”特點(diǎn)，相當(dāng)于把實(shí)景1∶1的搬入到電腦中，通過采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行人機(jī)交互式檢查地形圖的地理精度，檢查內(nèi)容包括：地理要素錯(cuò)漏、地理要素類別判別或符號(hào)使用錯(cuò)誤、樓房層次錯(cuò)誤、表達(dá)不準(zhǔn)確等方面。如圖4所示中，由橢圓圈出的地物為通過點(diǎn)云檢查出地形圖漏測(cè)圍墻現(xiàn)象，位于房屋B2與房屋C之間有圍墻連接，長(zhǎng)度2.2 m。

4.5 數(shù)學(xué)精度統(tǒng)計(jì)

本案例采用三維激光掃描檢測(cè)的C作業(yè)區(qū)地形圖的數(shù)學(xué)精度包括平面精度(絕對(duì)位置精度、相對(duì)位置精度)、高程精度匯總統(tǒng)計(jì)見表4，數(shù)學(xué)精度分布情況見表5。

圖4 通過點(diǎn)云檢查出漏測(cè)圍墻現(xiàn)象

表4 作業(yè)區(qū)地形圖外業(yè)檢測(cè)精度匯總表

注:Δ為較差的允許誤差

表5 數(shù)據(jù)精度分布統(tǒng)計(jì)情況表

5 結(jié)論

本文基于三維激光掃描技術(shù)提出測(cè)繪成果的數(shù)學(xué)精度、地理精度的檢測(cè)方法，并在生產(chǎn)實(shí)際中驗(yàn)證其可行性、可靠性。該方法不僅可以應(yīng)用于三維激光掃描技術(shù)測(cè)繪成果，也可用于傳統(tǒng)測(cè)繪手段獲取的測(cè)繪成果。與傳統(tǒng)精度檢測(cè)方法相比，本檢測(cè)方法的外業(yè)檢查人員在車內(nèi)遙控掃描作業(yè)，減輕作業(yè)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率，對(duì)于檢測(cè)出的錯(cuò)誤可以直觀表現(xiàn)，便于檢查人員與測(cè)圖人員溝通以及測(cè)繪成果錯(cuò)漏的進(jìn)一步修改。隨著激光掃描技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域的普及應(yīng)用，本文提出的檢測(cè)方法具有廣闊的應(yīng)用前景。