鐘少忠 翟永聰

(廣東省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,廣東 廣州 510075)

0.引言

“十四五”期間，各級政府管理決策部門對各種測繪地理信息數(shù)據(jù)成果應(yīng)用的現(xiàn)勢性和可靠性提出新的需求，而如何高效、精確、快速、安全地為政府有關(guān)部門提供可靠的測繪地理信息數(shù)據(jù)成果成為迫切的服務(wù)保障需求。

本文應(yīng)用移動激光掃描測量技術(shù)，驗(yàn)證了點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果應(yīng)用，并分析其數(shù)學(xué)精度質(zhì)量情況；對采集的數(shù)據(jù)通過自動化快速后處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了高精度檢測信息源數(shù)據(jù)的自動化提取，最后將提取加工的檢測數(shù)據(jù)信息與待檢測測繪成果數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量規(guī)則匹配，可以提供多領(lǐng)域測繪質(zhì)檢應(yīng)用服務(wù)。實(shí)驗(yàn)研究表明：通過移動激光掃描測量技術(shù)單次采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)可應(yīng)用于多個領(lǐng)域、多個項(xiàng)目的測繪成果精度質(zhì)量檢驗(yàn)。

1.移動激光掃描測量技術(shù)應(yīng)用

移動激光掃描測量技術(shù)隨著其關(guān)鍵技術(shù)和軟件水平的不斷突破，以及云計(jì)算、云存儲、高速網(wǎng)的發(fā)展和智慧城市的建設(shè)，已成為一種迅捷高效獲取目標(biāo)地物空間坐標(biāo)和紋理等三維地理信息數(shù)據(jù)的技術(shù)手段。移動激光掃描測量技術(shù)的快速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、數(shù)字城市、地理國情監(jiān)測、基礎(chǔ)測繪、導(dǎo)航地圖等多個測繪產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，為傳統(tǒng)測繪成果建設(shè)、省級基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)生產(chǎn)等重大項(xiàng)目成果的質(zhì)量檢驗(yàn)提供了技術(shù)支撐。

2.點(diǎn)云成果分類與提取

2.1 點(diǎn)云地物分類

圖1 點(diǎn)云特征點(diǎn)、線提取圖

圖2 建筑物角點(diǎn)與輪廓線（局部）

2.2 特征點(diǎn)的提取

對多種地物進(jìn)行自動提取，基于提取后的成果矢量進(jìn)行編輯，不僅可以提高工作效率，而且可以減少一部分人工誤差，最終生產(chǎn)出來含豐富屬性信息的三維矢量與模型，經(jīng)過轉(zhuǎn)換程序功能可以導(dǎo)出到常用第三方應(yīng)用平臺中，如，Auto－CAD、ArcGIS等，用戶根據(jù)自身需求去作相應(yīng)調(diào)整及完善。

點(diǎn)云自動提取主要包括一級模型和二級模型提取。一級模型是對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)部自動提取相關(guān)特征點(diǎn)自動構(gòu)線與面矢量化的過程。二級模型為主要提取，可以在一級模型基礎(chǔ)上快速提取建筑物、路燈、電線桿、交通信號燈、道路線、水泥隔離帶等特征面與線，除了獲取每個實(shí)體的空間位置信息，還能自動計(jì)算其幾何屬性與分層、分類歸納，如，道路交通標(biāo)志牌的長寬尺寸、路段的路線長度和面積、房屋四至或立面范圍等。

經(jīng)過自動提取后的特征點(diǎn)結(jié)果難免有少量的錯漏，但點(diǎn)云處理軟件平臺提供了豐富高效的矢量編輯命令，方便用戶應(yīng)用分析在已有矢量的基礎(chǔ)上進(jìn)行增刪改操作，最終生成用戶所需的數(shù)據(jù)（如圖3所示）。三級模型是在二級模型的基礎(chǔ)上，通過照片和點(diǎn)云的特征來判斷屬性信息，并將對應(yīng)單個實(shí)體的屬性錄入其屬性表里。

圖3 點(diǎn)云疊加同步照片瀏覽及特征點(diǎn)提取

3.點(diǎn)云成果質(zhì)量驗(yàn)證方案

3.1 樣本的選取

為了更好綜合評定移動激光掃描測量技術(shù)所得到的點(diǎn)云成果數(shù)學(xué)精度的可靠性與穩(wěn)定性，本次實(shí)驗(yàn)選擇了一個批次共6塊樣本區(qū)，每塊樣本區(qū)面積約30km2，總面積覆蓋約180km2作為驗(yàn)證區(qū)域，主要位于廣州周邊城市，地形包括城鎮(zhèn)、郊區(qū)、農(nóng)村等。

根據(jù)移動激光掃描測量技術(shù)作業(yè)所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取地物特征點(diǎn)，然后通過全站儀或GNSS-RTK實(shí)測同名特征點(diǎn)，比對點(diǎn)云量測值與實(shí)測值較差，計(jì)算其中誤差，以驗(yàn)證點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果的絕對精度和相對精度，衡量移動激光掃描測量技術(shù)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果能否應(yīng)用于測繪質(zhì)量服務(wù)檢驗(yàn)等工作。

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度分析及評價

選取的樣本為廣州周邊城市內(nèi)6塊各30km2樣本掃描區(qū)，以全站儀或GNSS-RTK實(shí)測值為真值，在每塊樣本區(qū)域內(nèi)均勻采集約30個檢驗(yàn)特征點(diǎn)，對移動激光掃描測量技術(shù)采集的點(diǎn)云成果數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)精度評價。

《測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》（GB/T 24356-2009）根據(jù)的規(guī)定，按照高精度數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢測計(jì)算，中誤差如式（1）計(jì)算：

式中，M為成果中誤差；n為檢測點(diǎn)（邊）中誤差；Δi為較差。

定風(fēng)量系統(tǒng)具有恒定的風(fēng)量。目前，大多數(shù)中央空調(diào)主要使用空調(diào)和冷水管道系統(tǒng)，兩者都在恒定風(fēng)量系統(tǒng)中控制具有恒定風(fēng)量的特定區(qū)域?？照{(diào)定風(fēng)量系統(tǒng)采用空調(diào)變溫供氣來應(yīng)對室內(nèi)負(fù)荷波動。通過DDC監(jiān)控風(fēng)扇運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備故障、過濾器和防凍報(bào)警。

在6個樣本區(qū)域內(nèi)用全站儀或GNSS-RTK采集185個平面檢測特征點(diǎn)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的同名位置點(diǎn)進(jìn)行精度比對，得出以下平面位置精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果（如表1所示），檢測中誤差大于6cm小于12cm的有6塊，占100%。符合《城市測量規(guī)范》（CJJ8-2017）中對1∶500地形圖平面精度限差25cm作為中誤差限差的要求，6塊全部小于標(biāo)準(zhǔn)中誤差。

表1 平面位置誤差分布情況表 單位：m

在6個樣本區(qū)域內(nèi)用GNSS-RTK或全站儀采集168個高程檢測特征點(diǎn)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的同名位置高程進(jìn)行精度比對，得出以下高程精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果（如表2所示），高程精度最終統(tǒng)計(jì)的檢測中誤差大于6cm小于11cm的有6個樣本，占100%，符合《城市測量規(guī)范》（CJJ8-2017）中對1∶500地形圖高程精度限差15cm作為中誤差限差的要求，6塊全部小于標(biāo)準(zhǔn)中誤差。

表2 高程誤差分布情況表 單位：m

從下面精度統(tǒng)計(jì)表中分析得出，極個別檢測點(diǎn)由于G NS S信號問題導(dǎo)致誤差略大，從誤差分布情況可以看出點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果的平面精度與高程精度遠(yuǎn)優(yōu)于有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。根據(jù)數(shù)學(xué)精度中誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，本次實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果數(shù)學(xué)精度能夠達(dá)到優(yōu)于1∶1000比例尺地形圖成果精度要求；在GNSS信號良好的情況下，移動激光掃描測量技術(shù)其獲取的點(diǎn)云成果可以用于檢測小于等于1∶1000比例尺的4D基礎(chǔ)測繪成果。

4.點(diǎn)云成果在測繪成果中的應(yīng)用

4.1 質(zhì)量服務(wù)范圍

移動激光掃描測量技術(shù)通過將全景影像數(shù)據(jù)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)相匹配，構(gòu)建高精度三維立體模型，具有空間地理坐標(biāo)，不僅可以在常規(guī)測繪成果（如，DLG、DOM、DEM、DSM、變形監(jiān)測、應(yīng)急測繪檢驗(yàn)）中得到應(yīng)用，還可以應(yīng)用在民政管理部門（如地名地址調(diào)查成果），城市管理部門（如，城市基礎(chǔ)設(shè)施采集和調(diào)查、地物屬性提取分類統(tǒng)計(jì)成果），交通管理部門（如，高速公路、普通公路改擴(kuò)建調(diào)查成果）等多個領(lǐng)域。此外，這項(xiàng)技術(shù)在高精度地下及室內(nèi)地圖、高精度自動駕駛地圖、空地協(xié)同高精度三維地圖等新興地理信息產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)和質(zhì)量檢測中都能得到良好的應(yīng)用。移動激光掃描技術(shù)單次采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)可重復(fù)使用于多個領(lǐng)域、多個項(xiàng)目的質(zhì)量檢驗(yàn)，改變了傳統(tǒng)測繪獲取數(shù)據(jù)大多使用于單一項(xiàng)目的特點(diǎn)，人力成本與經(jīng)濟(jì)效益顯著提升，推廣使用后不僅為廣東省“十四五”基礎(chǔ)測繪成果檢驗(yàn)節(jié)約了大量檢驗(yàn)費(fèi)用，而且縮短了檢驗(yàn)周期。

4.2 DOM實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源已通過省級質(zhì)檢部門檢查驗(yàn)收的“優(yōu)于0.2m分辨率航空遙感影像DOM制作（2019年度）”項(xiàng)目成果，測區(qū)位置位于廣東粵西北地區(qū)。項(xiàng)目生產(chǎn)時間為2019年7月至9月，涉及1∶2000數(shù)字正射影像圖成果七萬多幅。項(xiàng)目坐標(biāo)系統(tǒng)和投影參數(shù)使用正確，位置精度、影像質(zhì)量等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，其DOM中誤差精度指標(biāo)為平地、丘陵地的地形類別要求達(dá)1.2m。

4.2.1 DOM成果精度檢驗(yàn)方案

外業(yè)檢驗(yàn)方式按照《數(shù)字測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》（GB/T 18316-2008）要求抽取其1批次作為試驗(yàn)區(qū)，以30km2作為一塊樣本單位，共抽取15塊1∶2000的數(shù)字正射影像圖成果，在每塊樣本區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中隨機(jī)均勻采集30個左右平面特征檢測點(diǎn)，與DOM成果的同名位置點(diǎn)進(jìn)行精度比對；或在DOM成果中隨機(jī)均勻采集30個左右平面特征檢測點(diǎn)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)同名位置點(diǎn)進(jìn)行精度比對，最后采用高精度數(shù)據(jù)精度檢測進(jìn)行計(jì)算點(diǎn)位中誤差。該成果數(shù)據(jù)檢測結(jié)果（如表3所示）：

4.2.2 DOM成果精度評價

從表3可知：內(nèi)業(yè)檢測平面特征點(diǎn)共計(jì)440個，平均0.396m，樣本檢測中誤差均小于標(biāo)準(zhǔn)中誤差，由誤差分布情況中可以看出DOM成果平面精度滿足技術(shù)設(shè)計(jì)中平地、丘陵地1.2m的要求，檢驗(yàn)結(jié)果均達(dá)到相關(guān)測繪產(chǎn)品的質(zhì)量技術(shù)要求。

表3 平面位置誤差分布情況表 單位：m

4.3 DEM實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源已通過省級質(zhì)檢部門檢查驗(yàn)收的“廣東省數(shù)字高程模型更新項(xiàng)目”成果，項(xiàng)目生產(chǎn)時間為2018年6月至2019年8月，其平地精度指標(biāo)要求達(dá)0.5m。

4.3.1 DEM成果精度檢驗(yàn)方案

外業(yè)檢驗(yàn)方式按照《數(shù)字測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》（GB/T 18316-2008）要求抽取其1批次作為試驗(yàn)區(qū)，以30km2作為一塊樣本區(qū)單位，共抽取15塊樣本區(qū)的1∶2000的數(shù)字高程模型成果，在每塊樣本區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中均勻采集30個左右高程特征檢測點(diǎn)，與DEM的同名位置高程點(diǎn)進(jìn)行精度比對；或在DEM成果中均勻采集30個左右高程特征檢測點(diǎn)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)同名位置高程點(diǎn)進(jìn)行精度比對，最后采用高精度數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢測，計(jì)算點(diǎn)位中誤差。該成果數(shù)據(jù)檢測結(jié)果（如表4所示）：

4.3.2 DEM成果精度評價

從表4可知：內(nèi)業(yè)檢測高程特征點(diǎn)共計(jì)402個，平均中誤差為0.116m，樣本檢測中誤差均小于標(biāo)準(zhǔn)中誤差，由誤差分布情況可以得出：成果高程精度可以滿足技術(shù)設(shè)計(jì)中其平地精度指標(biāo)0.5m的要求，檢驗(yàn)結(jié)果均達(dá)到相關(guān)國家規(guī)范的質(zhì)量技術(shù)要求。

表4 高程誤差分布情況表 單位：m

5.結(jié)束語

本文從移動激光掃描測量技術(shù)分析其數(shù)學(xué)精度的可靠性及快速獲取地物三維紋理信息等優(yōu)點(diǎn)出發(fā)，從數(shù)字測繪產(chǎn)品質(zhì)量服務(wù)應(yīng)用方面探討采用全過程移動激光掃描測量技術(shù)構(gòu)建質(zhì)量保障服務(wù)，研究表明：基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集檢測數(shù)學(xué)精度可行并有效，從“事后”到全面加強(qiáng)“事前、事中”應(yīng)用方面，提升測繪地理信息成果應(yīng)用的現(xiàn)勢性，保障測繪地理信息成果“隨生產(chǎn)、隨檢驗(yàn)、隨應(yīng)用”，更有利于決策管理部門更高效、準(zhǔn)確地決策應(yīng)用。

移動激光掃描測量技術(shù)雖然優(yōu)點(diǎn)顯著，但如有道路兩旁綠化茂盛遮擋嚴(yán)重、建筑物林立密集或呈院落式分布、通行條件較差等影響掃描的情況，及GNSS信號弱，均會對成果相關(guān)精度產(chǎn)生影響。下一步重點(diǎn)對點(diǎn)云成果的可利用程度進(jìn)行其深挖掘，充分發(fā)揮優(yōu)勢；提升地物分類提取的準(zhǔn)確率，提高作業(yè)效率；優(yōu)化和改進(jìn)內(nèi)外業(yè)工作模式。