許艷博，楊林杰，王東旭，宗愛(ài)華

(1.北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，北京 100038； 2.北京城建北方集團(tuán)有限公司，北京 101301)

1 引 言

我國(guó)最早發(fā)現(xiàn)的古地圖可以追溯至戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，距今已經(jīng)有2300多年的歷史[1]。古地圖是以計(jì)里畫方法繪制，地物地貌采用寫景法表達(dá)。發(fā)展至清朝，以精密的天文、三角測(cè)量方式，并首次采用偽圓柱投影的方法，歷經(jīng)十余載實(shí)地測(cè)繪，終于繪制完成了《康熙皇輿全覽圖》。古代地圖主要用于行政區(qū)域劃分和軍事戰(zhàn)爭(zhēng)。20世紀(jì)90年代，便攜機(jī)逐漸進(jìn)入用戶市場(chǎng)，電子平板法測(cè)圖迅猛發(fā)展，大比例尺繪圖全面進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代[2]。

隨著科技的發(fā)展，國(guó)家治理體系和治理能力的現(xiàn)代化，地理信息產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[3]。提升測(cè)繪服務(wù)質(zhì)量，推進(jìn)實(shí)景三維建設(shè)，都要求測(cè)繪工作者對(duì)數(shù)據(jù)獲取手段進(jìn)行革新。目前傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可以應(yīng)用于大范圍的城市、山區(qū)地形圖測(cè)繪[4]，但空域?qū)徟绦驘┈崱⒙L(zhǎng)。對(duì)于小區(qū)域的補(bǔ)測(cè)工作更顯得牛刀殺雞。三維激光掃描技術(shù)的不斷發(fā)展，不同適用類型的掃描設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生[5]。結(jié)合GNSS技術(shù)的移動(dòng)掃描儀，可以快速獲取建筑、街道、樹木等目標(biāo)物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，但當(dāng)GNSS信息受到干擾或遮擋時(shí)就無(wú)法保證掃描精度[6～8]。站式三維激光掃描儀因其掃描精度較高，所以在精密檢測(cè)、古建、文物保護(hù)等領(lǐng)域應(yīng)用較多，但在面對(duì)室內(nèi)格局復(fù)雜和室外大場(chǎng)景時(shí)，需要大量的加密站點(diǎn)才能保證拼接的精度，且后期處理的數(shù)據(jù)量龐大，工作效率大打折扣[9～11]。同步定位和地圖構(gòu)建(simultaneous localization and mapping，SLAM)技術(shù)無(wú)須GNSS定位輔助，可以快速實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外復(fù)雜場(chǎng)景的地圖構(gòu)建。本文利用GeoSLAM手持移動(dòng)掃描儀采集前門東路區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)利用清華山維EPS軟件進(jìn)行 1∶500圖繪制，并與傳統(tǒng)全站儀測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行精度對(duì)比分析。

2 數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

本文所采用的手持移動(dòng)掃描儀由GeoSLAM公司研制，采用最新的SLAM算法，掃描速度快，精度高，徹底擺脫了GNSS信號(hào)的束縛，可以完成森林、礦井、高大建筑區(qū)及內(nèi)部的三維數(shù)據(jù)采集。設(shè)備外觀如圖1所示，詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

圖1 手持掃描儀外觀

表1 手持掃描儀參數(shù)

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

基于SLAM算法的點(diǎn)云定位拼接方式，會(huì)隨著掃描的推進(jìn)而積累誤差，一般使用閉合環(huán)的方式對(duì)誤差進(jìn)行修正[12]。前門東路測(cè)試區(qū)南北方向約 230 m，東西方向約 100 m，區(qū)域內(nèi)包含街道、綠地、胡同及各類建筑設(shè)施，測(cè)試場(chǎng)景為典型的城市建成區(qū)地貌，可以更好地測(cè)試手持移動(dòng)掃描儀的掃描效果與精度。掃描前利用GPS、全站儀、水準(zhǔn)儀等測(cè)繪儀器按照二級(jí)導(dǎo)線進(jìn)行布設(shè)平面控制點(diǎn)，并將控制點(diǎn)按四等精度聯(lián)測(cè)水準(zhǔn)[13]。測(cè)試區(qū)及現(xiàn)場(chǎng)掃描情況如圖2所示：

圖2 測(cè)試區(qū)范圍及現(xiàn)場(chǎng)掃描情況

本次掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，作業(yè)前須將基準(zhǔn)板安裝在掃描儀手柄下方，基準(zhǔn)板上有十字鏤空的標(biāo)識(shí)，用來(lái)套合控制點(diǎn)。將掃描儀放置在固定地點(diǎn)，并做好標(biāo)記，此位置為掃描起點(diǎn)。連接控制器并安裝電池，啟動(dòng)處理器，此時(shí)掃描儀上的紅色跑馬燈亮起，接著按住控制器上的掃描儀啟動(dòng)鍵，當(dāng)聽見(jiàn)第二聲“滴”時(shí)松手，保持掃描儀靜置激活慣導(dǎo)單元(Inertial measurement unit，IMU)，激光頭轉(zhuǎn)動(dòng) 5 s以后拿起掃描儀，斜背起處理器，按照規(guī)劃好的作業(yè)路線開始掃描。過(guò)程中途經(jīng)控制點(diǎn)，將基準(zhǔn)板十字鏤空中心套上控制點(diǎn)上方，靜置 5 s不動(dòng)即可提取控制點(diǎn)位置信息。

手持移動(dòng)掃描儀作業(yè)過(guò)程中應(yīng)注意的事項(xiàng)：①單次掃描時(shí)間控制在 25 min以內(nèi)，且應(yīng)形成閉合環(huán)路來(lái)控制SLAM解算精度[14]。②掃描儀靜置激活I(lǐng)MU時(shí)應(yīng)避免緊貼建筑物、墻角等，因?yàn)閽呙栌行y(cè)程大于 30 cm。③控制點(diǎn)布設(shè)應(yīng)均勻分布測(cè)區(qū)，避免一條直線，最低不得少于3個(gè)[15]。④轉(zhuǎn)彎或場(chǎng)景變化(如進(jìn)門出門、胡同轉(zhuǎn)入街道等)時(shí)，腳步略微放緩，不得快速變換掃描方向。⑤當(dāng)測(cè)區(qū)需要分段掃描時(shí)，應(yīng)保證不低于25%的重疊區(qū)域，且不少于2個(gè)公共控制點(diǎn)來(lái)完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

掃描結(jié)束時(shí)將手持移動(dòng)掃描儀放置到起始位置，靜置 5 s后結(jié)束掃描關(guān)機(jī)。本文掃描共用時(shí) 20 min，測(cè)試區(qū)點(diǎn)云如圖3所示：

圖3 測(cè)試區(qū)點(diǎn)云

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

將U盤插在手持掃描儀處理器上，DATA指示燈綠燈亮起，代表正在拷貝數(shù)據(jù)，綠燈熄滅代表點(diǎn)云原始數(shù)據(jù)拷貝完成。通過(guò)掃描儀自帶預(yù)處理軟件GeoSLAM Hub可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云智能拼接，操作簡(jiǎn)單，只需將原始掃描數(shù)據(jù)拖拽至GeoSLAM Hub解算窗口即可。軟件解算時(shí)間約為外業(yè)掃描時(shí)間的1.5倍，本次處理時(shí)間約 30 min。接著通過(guò)調(diào)整軟件包圍盒厚度檢查點(diǎn)云質(zhì)量，重點(diǎn)查看點(diǎn)云是否分層。然后進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，確保Reference Point點(diǎn)號(hào)與導(dǎo)入控制點(diǎn)點(diǎn)號(hào)一一對(duì)應(yīng)?？刂泣c(diǎn)TXT文本格式：點(diǎn)號(hào)為字母與數(shù)據(jù)組合，坐標(biāo)值x、y、z間用Tab鍵分隔。最后將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換完成的點(diǎn)云導(dǎo)出。導(dǎo)出的點(diǎn)云格式有5種，本文導(dǎo)出LAS格式，其他導(dǎo)出設(shè)置如圖4所示：

圖4 點(diǎn)云導(dǎo)出選項(xiàng)設(shè)置

掃描過(guò)程中，由于是全方位的掃描，還有移動(dòng)的行人、車輛、震動(dòng)、粉塵等干擾，會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)冗余和噪點(diǎn)[16，17]，因此，本文利用Cyclone軟件對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行了剪裁、體外孤點(diǎn)刪除、降噪等處理。

3 地形圖繪制

清華山維EPS 3D Survey三維測(cè)圖軟件是以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，構(gòu)建圖形與屬性共存的框架，實(shí)現(xiàn)地理信息與CAD的完美融合。繪圖過(guò)程中，透視圖、頂視圖、前視圖可以隨意切換，并且實(shí)現(xiàn)了多窗口、多視角的二三維聯(lián)動(dòng)同步顯示和圖形繪制，如圖5所示。地形圖繪制的具體操作步驟如下：

圖5 二三維聯(lián)動(dòng)繪圖

(1)新建EPS工程，并選擇1∶500測(cè)圖模板。

(2)將LAS格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成PCD文件格式。

(3)加載轉(zhuǎn)換完成后的PCD文件。

(4)按照《基礎(chǔ)測(cè)繪技術(shù)規(guī)程》(DB11/T407-2017)規(guī)定，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行特征點(diǎn)、線、面的提取，繪制 1∶500地形圖。

(5)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)檢，包括空間邏輯檢查、自交叉檢查、重疊地物檢查、等高線與高程點(diǎn)檢查等。

(6)地形圖輸出。地形圖成果如圖6所示：

圖6 大比例尺地形圖成果

清華山維EPS 3D Survey三維測(cè)圖通過(guò)實(shí)景點(diǎn)云展現(xiàn)外業(yè)實(shí)景，數(shù)據(jù)無(wú)遺漏，檢查更直觀，大大降低了外業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度。通過(guò)手持移動(dòng)掃描的新技術(shù)方法將大量外業(yè)搬入室內(nèi)，增強(qiáng)了惡劣環(huán)境的適應(yīng)性。

4 精度驗(yàn)證與分析

4.1 手持移動(dòng)掃描儀精度分析

為了驗(yàn)證手持移動(dòng)掃描儀的平面坐標(biāo)精度，選取覆蓋整個(gè)測(cè)試區(qū)范圍的20個(gè)平面特征點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，特征點(diǎn)為明顯的房屋角點(diǎn)和張貼于墻面的靶紙中心點(diǎn)。利用徠卡MS60全站儀對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行換站換方位的雙極坐標(biāo)測(cè)量，取兩次測(cè)量結(jié)果的平均值作為校核真值，閾值設(shè)置為 1 cm。點(diǎn)云中的角點(diǎn)和靶紙中心坐標(biāo)在Cyclone軟件中手動(dòng)進(jìn)行提取，因?yàn)榇嬖谌斯ぬ崛≌`差，因此隨機(jī)選取6名作業(yè)員分別對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行逐一提取，得到6組數(shù)據(jù)，取用平均值作為手持掃描儀的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。手持移動(dòng)掃描儀的平面精度如表2所示。

表2 手持移動(dòng)掃描儀平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比

在點(diǎn)云中提取室外地坪、井蓋、路面、路燈基座等10個(gè)特征點(diǎn)作為高程檢測(cè)點(diǎn)，提取方法同平面檢測(cè)，利用水準(zhǔn)儀直接聯(lián)測(cè)高程檢測(cè)點(diǎn)，高程精度統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 手持移動(dòng)掃描儀高程數(shù)據(jù)對(duì)比

4.2 結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比得到手持移動(dòng)掃描儀的平面中誤差 0.041 m，高程中誤差 0.056 m。根據(jù)規(guī)范要求，城區(qū)地物點(diǎn)相對(duì)于臨近平面控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不應(yīng)大于圖上 0.5 mm(0.5×M×10-3m，M為測(cè)圖比例尺分母)，高程不應(yīng)大于 0.15 m，測(cè)試結(jié)果表明利用手持移動(dòng)掃描儀測(cè)繪大比例尺地形圖滿足規(guī)范要求。通過(guò)對(duì)特征點(diǎn)提取過(guò)程發(fā)現(xiàn)，物體離掃描路線越遠(yuǎn)點(diǎn)云越稀疏，提取誤差越大。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于SLAM的手持移動(dòng)掃描技術(shù)越來(lái)越成熟，應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣。本文提出將手持移動(dòng)掃描儀應(yīng)用于大比例尺地形圖測(cè)繪，可以大幅提高外業(yè)效率、減少人員投入，海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)將外業(yè)實(shí)景搬回舒適的室內(nèi)，減輕了作業(yè)員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且提高了成圖的精度和可靠性，一次采集的數(shù)據(jù)可以按不同用途重復(fù)提取地物信息。配合清華山維EPS 3D Survey三維測(cè)圖軟件，其集測(cè)圖、編輯、檢查于一體，實(shí)現(xiàn)了GIS與CAD在數(shù)據(jù)層面上的統(tǒng)一，提供了地物獨(dú)特快捷的繪制方法，使測(cè)圖工作向信息化、智能化轉(zhuǎn)變。