嚴(yán)立，井發(fā)明

(寧波市測繪設(shè)計研究院，浙江 寧波 315042)

1 引 言

三維激光數(shù)據(jù)掃描具有不接觸物體、測量精度高、速度快、信息豐富等特點，目前在測量領(lǐng)域應(yīng)用廣泛?；谌S激光掃描儀的數(shù)據(jù)采集方式包括靜態(tài)激光掃描、移動車載掃描、推車掃描、機(jī)載激光掃描等，靜態(tài)掃描需要大量搬站，掃描效率低，容易造成地物遺漏，不適合城市測量中較大范圍的掃描；推車掃描適用于路面較平整的室內(nèi)外，無法在復(fù)雜的城市測量環(huán)境中應(yīng)用；移動車載掃描適用在道路開闊平整的街道等，且無法進(jìn)行室內(nèi)掃描；機(jī)載激光掃描需要無人機(jī)作為載體，且只能掃描頂部和部分側(cè)面數(shù)據(jù)，其也無法滿足城市測量應(yīng)用要求。

3D SLAM移動測量系統(tǒng)在傳統(tǒng)移動式三維激光測量基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改善數(shù)據(jù)采集方式，采用背包式激光掃描，提高數(shù)據(jù)采集的便攜性和適用性。目前基于3D SLAM的移動測量系統(tǒng)主要分為集成GPS和非集成GPS。后者采集的數(shù)據(jù)無法直接獲取絕對坐標(biāo)系坐標(biāo)，需布設(shè)大量同名控制點進(jìn)行糾正，而3D SLAM和GPS結(jié)合的移動測量系統(tǒng)可實時獲取WGS84坐標(biāo)系下三維激光點云數(shù)據(jù)。本文在城市測繪具體項目中(室內(nèi)測量、道路竣工、小區(qū)竣工、普通建筑竣工)，引入該系統(tǒng)數(shù)據(jù)測量方式，將采集的三維點云數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)方式采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗證分析，證明基于3D SLAM移動測量系統(tǒng)在城市測繪中的適用性。

2 3D SALM移動測量系統(tǒng)

本文中所采用的移動測量系統(tǒng)是一款徠卡公司基于3D SALM研發(fā)的背包式測量系統(tǒng)(Pegasus Backpack)，可實現(xiàn)室內(nèi)外一體化三維激光掃描測量，適應(yīng)于移動測量、地圖制圖三維建模等領(lǐng)域。系統(tǒng)主要包括2個激光掃描儀、GPS接收機(jī)、5個全景相機(jī)、IMU、平板控制平臺、電池和框架。移動實景測量系統(tǒng)克服復(fù)雜環(huán)境對普通移動測量的限制，可應(yīng)用于樓梯、礦場、碼頭和隧道等場景。在人行走過程中，即可實時獲取點云和全景數(shù)據(jù)，無須架站搬站，且在控制平臺實時顯示當(dāng)前采集點云范圍。該系統(tǒng)具有如下特點：①高精度GNSS和IMU慣性導(dǎo)航定位；②室內(nèi)外一體化測量；③同步獲取真彩色點云和照片；④操作簡單、使用靈活。

3D SLAM(Simultaneous Localization And Mapping)是一種在人工智能領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的技術(shù)，主要解決物體在移動過程中根據(jù)位置估計和特征點迭代匹配，實時進(jìn)行自主定位并構(gòu)建增量式地圖問題。在測繪領(lǐng)域中，移動測量系統(tǒng)目標(biāo)是利用SLAM技術(shù)在誤差最小化約束條件下獲取觀測點云數(shù)據(jù)，解決GPS信號弱情況下無法定位問題。3D SLAM移動測量系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟主要包括：

(1)基于IMU和GPS初始數(shù)據(jù)，利用SLAM數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)特征點匹配；

(2)將匹配好的SLAM數(shù)據(jù)，通過多幀匹配和閉環(huán)檢測，反過來精算POS數(shù)據(jù)；

(3)將精算后的POS數(shù)據(jù)，進(jìn)行整體連續(xù)匹配；

(4)解算精密點云數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)采集與驗證

3.1 數(shù)據(jù)采集

移動測量系統(tǒng)采集流程主要包括GPS接收機(jī)架設(shè)，系統(tǒng)初始化，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理等，如圖1所示。在已知控制點上架設(shè)靜態(tài)GPS接收機(jī)主要是為了數(shù)據(jù)后差分處理；系統(tǒng)初始化主要包括慣導(dǎo)啟動；數(shù)據(jù)處理包括坐標(biāo)轉(zhuǎn)化、差分計算、點云抽稀等。

圖1 移動測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集流程

3.2 精度檢驗方法

精度檢驗主要包括相對精度檢驗和絕對精度檢驗。相對精度檢驗主要是在不同坐標(biāo)系下，量取傳統(tǒng)方式獲取成果中的特征點和特征線，然后量測對應(yīng)點云數(shù)據(jù)的特征線值，比較兩個特征線誤差；絕對精度是在同一坐標(biāo)系下，比較相同位置特征點的坐標(biāo)誤差。

圖2 相對精度檢驗和絕對精度檢驗流程

相對精度驗證的主要步驟如圖2所示，包括背包測量數(shù)據(jù)采集，點云數(shù)據(jù)可視化，傳統(tǒng)方式數(shù)據(jù)采集(全站儀、RTK)，數(shù)據(jù)特征點選取，特征線距離量測，點云特征線作為觀測值，傳統(tǒng)方式采集的特征線作為檢核值，按照式(1)計算差值：

特征線差值=觀測值-檢核值

(1)

絕對精度驗證的主要步驟包括背包測量數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)預(yù)處理，坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，點云數(shù)據(jù)可視化，傳統(tǒng)方式數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)特征點選取，將點云特征點作為觀測值，傳統(tǒng)方式作為檢核值，按照式(2)計算點位差值：

(2)

其中x0、y0為點云觀測值坐標(biāo)，x1、y2為點云觀測值坐標(biāo)。

最后，根據(jù)差值計算點位中誤差作為試驗評價精度的標(biāo)準(zhǔn)：

(3)

4 數(shù)據(jù)采集與精度分析

4.1 室內(nèi)測量

本次測量的室內(nèi)區(qū)域為寧波規(guī)劃大廈地下停車場，背包測量約為 20 min，采集的點云數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后在Terrasolid中展開，如圖3所示，在點云數(shù)據(jù)內(nèi)選取柱子和房角點作為特征點，然后獲取特征點間的水平距離作為觀測值；同時利用全站儀在實際停車場內(nèi)獲取對應(yīng)的同名特征點和特征線的水平距離作為檢核值，得到室內(nèi)停車場平面精度結(jié)果，如表1所示。

4.2 道路竣工

本次實驗的道路為新竣工道路，長500 m，寬 10 m，包含完整路面、路燈、廣告牌、斑馬線等地物，掃描的點云數(shù)據(jù)經(jīng)過靜態(tài)差分、影像著色、坐標(biāo)轉(zhuǎn)化等預(yù)處理后，將點云數(shù)據(jù)和 1∶500地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，兩者基本上吻合，在道路邊線上存在一些偏差。從點云測量數(shù)據(jù)中提取兩側(cè)路燈中心點作為平面坐標(biāo)觀測值，然后從地形圖中獲取的路燈坐標(biāo)作為檢核值，19個點計算誤差，結(jié)果如表2所示：

道路平面精度檢核結(jié)果 表2

4.3 規(guī)劃小區(qū)竣工

本次實驗的小區(qū)為新建成規(guī)劃小區(qū)部分?jǐn)?shù)據(jù)，包含兩幢30層高層建筑，一幢17層小高層，4幢6層的多層建筑，獲取的點云數(shù)據(jù)如圖4所示。

獲取的點云數(shù)據(jù)經(jīng)過影像著色、坐標(biāo)轉(zhuǎn)化等預(yù)處理后，將小區(qū)規(guī)劃竣工圖與地形圖進(jìn)行疊加，獲取點云房角點作為觀測值，在竣工圖中獲取其同名房角點作為檢核值，并對34個點進(jìn)行誤差計算，結(jié)果如表3所示。

圖4 規(guī)劃小區(qū)

規(guī)劃小區(qū)平面精度檢核結(jié)果 表3

4.4 普通建筑竣工

選取的建筑為寧波東部新城新建的寫字樓，包括規(guī)劃大廈和工商大廈，相對于小區(qū)居民建筑，該建筑物間距離為 40 m左右，GPS信號較好，按“8”字形路線行走，行走距離為 700 m左右，獲取其點云數(shù)據(jù)如圖5所示。

在獲取的建筑物點云數(shù)據(jù)中，選取房角點作為觀測值，并在竣工圖中獲取對應(yīng)的房角點作為檢核值，對23個點進(jìn)行點位差值和中誤差計算，得到的結(jié)果如表4所示：

圖5 規(guī)劃大廈建筑群

4.5 精度分析

(1)將室內(nèi)測量數(shù)據(jù)和普通建筑測量數(shù)據(jù)，根據(jù)選取特征點間距離和對應(yīng)檢核距離間的差值建立誤差統(tǒng)計分布圖，如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)隨著距離的增加其誤差存在一個增大趨勢。

(2)在小區(qū)測量中，將檢核點和對應(yīng)的誤差在ArcGIS進(jìn)行可視化分級表示，并與 1∶500地形圖進(jìn)行疊加，顏色越深誤差越大，可發(fā)現(xiàn)北面的房子誤差較大，南面的房子誤差較小，如圖7所示。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)北面有30層的高層對GPS信號產(chǎn)生遮擋，而南面為7層的多層，GPS信號相對較好，因此小區(qū)等建筑密集區(qū)GPS信號的強(qiáng)弱對測量有著重要影響。

圖6距離差值統(tǒng)計分布

圖7 小區(qū)檢核點誤差分布

(3)通過掃描的點云數(shù)據(jù)完整性，發(fā)現(xiàn)移動測量系統(tǒng)的有效觀測距離為 50 m～70 m，不能滿足遠(yuǎn)距離測量項目，比如高層房產(chǎn)側(cè)面測量等。

5 結(jié) 語

本文基于移動測量系統(tǒng)在城市測量應(yīng)用中進(jìn)行研究，分析其在具體測量業(yè)務(wù)中的精度。試驗表明室內(nèi)測量中，在相對坐標(biāo)系下具有較高的平面精度，室內(nèi)為 2.5 cm；在室外測量的絕對坐標(biāo)系下，道路竣工為 14 cm，小區(qū)規(guī)劃竣工 18 cm，建筑群竣工為 9 cm，且根據(jù)誤差分布情況發(fā)現(xiàn)GPS信號對測量數(shù)據(jù)精度有重要影響，隨著觀測點間距離越大誤差也存在增長趨勢。由此看出，移動測量系統(tǒng)可滿足室內(nèi)和GPS信號較好區(qū)域的高精度數(shù)據(jù)采集，相對于車載移動測量對環(huán)境的限制，背包式移動測量更具有廣泛的應(yīng)用價值。如何利用SLAM技術(shù)解決室外GPS信號失鎖區(qū)域的數(shù)據(jù)采集精度是下一步解決的問題。