移动测量设备在实景三维成果质检中的数学精度对比.pdf

121青海科技202303成果视窗青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY基于各类移动测量设备在实景三维测量方面越来越广泛的应用，不仅使传统测绘作业流程发生了改变，更加简化了外业测绘工作流程，缩短了工作时间，降低了外业人员劳动强度，也使得内业处理工作的总体效率大大提高1。同时，利用扫描点云数据，还能够生成例如点云浏览视频、三维场景等多种更加直观的成果2。但在目前多种移动测量设备可选择的情况下，在三维模型成果质量检验工作中究竟移动测量设备精度如何、是否能达到质检要求是本文的重点关注。本文使用背负式激光雷达扫描系统、架站式激光扫描仪、车载激光移动测量系统采集点云精度与传统 RTK 采集数据作精度对比，分别针对较空旷地形及居民小区楼房较密集区数据采集成果进行质检，分析其精度。1 试验场简介本文关注的重点是移动测量设备系统在三维模型质检工作中的测量精度、稳定性及工作效率，因此，我们将选择两处较为典型的场地来进行精度验证。验证中将使用 GPS-RTK+CORS 基站方式获取地面特征点坐标作为检校点，然后通过与各移动测量设备获取的点云特征点坐标进行比对，以获取点云的测量误差，以此检验各移动测量设备的精度。在实际作业中，外业情况与理想状态存在许多不同，所以实验包含 2 个典型区域。试验场位于青海省某县城内的一处居民休闲广场，视野开阔，广场内南面有两栋两层建筑，周边无其他高大建筑物，GNSS 系统信号良好。广场周边道路基础设施完善，但广场内部仅有供行人步行的小路，无可通车道路，车辆无法进入，是个较理想的试验场所，主要用于检验移动测量系统在最佳运行状态下的测量精度。休闲广场部分点云图如图 1所示，该图为背负式激光雷达扫描系统采集后处基金项目:青海省地理空间信息技术与应用重点实验室 2019 年度开放课题资助项目(QHDX-2019-05)。作者简介:李伟东(1971-),男,高级工程师,主要研究测绘地理信息质量检验技术。E-mail:。移动测量设备在实景三维成果质检中的数学精度对比李伟东1,2 赵 颖1,2 张 睿2 王 波1,2（1.青海省地理空间信息技术与应用重点实验室，西宁810001;2.青海省测绘质量监督检验中心，西宁810001）摘 要：实景三维数据作为一种新型测绘成果，采用传统质检方法存在工作量大、效率低、时间周期紧等问题，因此如何找到快速高效的三维成果质检方法成为当务之急。文章旨在研究移动测量系统以多种方式快速高效地采集外业数据，并通过后处理方式获取地物三维数据信息，是否能够提高三维成果质检工作的效率和精度。基于三种移动测量设备对同一实验场地的采集数据，结合质检工作的具体要求，系统地分析了采用移动测量系统进行成果质检的数据精度及工作效率。关键词：移动测量设备；三维激光扫描；点云数据中图分类号：P204 文献标识码：A 文章编号：1005-9393(2023)03-0121-07122青海科技202303成果视窗青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY理生成的着色三维点云数据。另一部分为休闲广场东面邻近的居民小区，群楼林立，楼房多以 7 层为主，但楼间距较小，小区内道路通达，车辆均可到达。图 2 为居民小区部分着色三维点云图，图 3 为架站式激光扫描仪生成居民小区内部分全景图。图 1 休闲广场部分着色三维点云数据图 2 居民小区部分着色三维点云数据图 3 架站式激光扫描仪采集居民小区全景图（部分）123青海科技202303成果视窗青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY表 1 移动测量采集设备参数2 数据采集设备本次数据采集及处理工作分别采用背负式激光雷达扫描系统、架站式激光扫描仪及车载激光移动车辆系统作为比对数据，同时采用 GPS-RTK+CORS 基站进行数据采集。背负式激光雷达扫描系统采用 LiBackpackDGC50 背包激光雷达扫描系统，该系统同时配备数据采集模块与后处理模块。其中，采集设备模块为背负式，主要由全景相机、激光雷达、控制器、手持终端、移动电源、支撑杆和背包框架组成，各个部件由背包框架连接和支撑。设备内共有 2个激光雷达，均安装于支撑杆上，分别设置在水平与垂直两个方向。后处理模块以三维SLAM算法、点云着色算法为核心算法，对采集设备模块采集获得的数据进行后处理操作，最终输出着色三维点云数据。架站式激光扫描仪使用 TrimbleTX8 三维激光扫描系统，该系统由三维激光扫描仪和后期处理软件组成。三维激光扫描设备采用水平旋转基座上安置竖直旋转镜进行扫描，向被测物体发射激光脉冲，向被测区域依次进行扫描，快速获得地面景观的三维坐标，利用内业处理进行三维建模，生成被测区域的点云数据及三维场景数据。架站式激光扫描仪每测站均可依据采集数据生成全景图。车载激光移动建模测量系统由运载车辆、定位及定姿传感器、测量型传感器、机械支承结构、电源、集成控制电路、计算机及相应软件构成3。它可在车辆行进中，快速采集道路及道路两旁地物的平面坐标及高程、地物类型等几何数据、属性数据。采集后将数据存储在车载计算机系统中，经集成、融合及编辑处理，形成电子地图及各类专题数据等成果。车载激光移动建模测量系统在数据采集时，首先将 GNSS 基站架设于已有控制点，保证解算的点云坐标与全站仪坐标系统一致。在测区附近寻找开阔区域进行系统静态初始化，可以保证在数据采集过程中系统运行不受道路交通的影响，即使长时间停车仍然能保证 POS 系统的高精度。静态初始化结束后将激光扫描仪开启进行数据采集。数据采集结束选择一开阔区域进行系统静态结束化。外业数据采集完成后，进行内业数据处理。POS 数据处理将 GNSS 数据和 IMU 数据及里程计数据采用后处理方式进行融合差分处理。使用激光扫描数据预处理软件对激光数据进行预处理、纠正面阵 CCD 相机的影像后，再进行数据融合，获取彩色三维点云数据4。具体各移动测量采集设备参数见表 1。采集设备名称背负式激光雷达扫描系统架站式激光扫描仪车载激光移动车辆系统LiBackpackDGC50 背包激光雷达扫描系统TrimbleTX8 三维激光扫描系统HiScan 一体化移动三维测量系统相对精度3cm1mm5mm绝对精度5cm-5cm扫描频率600000点/秒1000000点/秒1010000点/秒作业方式背负作业架站式作业车载式作业激光器个数2个1个1个测距100m120m/340m150m/30m/600m视场角（垂直）180317-视场角（水平）360360360相机分辨率3000 万像素1000 万像素3000 万像素视场角360360360像素1800 万1000 万3000 万124青海科技202303成果视窗青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY表 2 三维模型平面、高度精度3 数学精度比对及误差分析在实景三维模型产品质量检查工作中，主要涉及的质量元素有空间参考系、位置精度、表达精细度、逻辑一致性、属性精度、时间精度、场景效果及附件质量，同时可依据技术设计、产品类型或用途等具体情况进行扩充或调整。本文着重于移动测量设备在三维产品中的精度比对，因此仅针对空间参考系及位置精度进行分析。三维模型的平面、高度精度共分为 5 级，应不劣于相应规范规定。按照实验中的实景三维数据成果，依据相应的成果检验规范，具体检验流程分为报验、确定样本、检查、意见反馈、复核、质量评价等各环节。具体检验流程如图 4。图 4 实验成果检验流程图首先作为对比组，在试验场内使用 RTK 随机选取并测量了约 100 个点，其中包含普通的路面点、井盖中心点、房屋上方屋檐角点等各类特征点。通过将内业数据处理与点云数据融合，获得实验场内所有测量点的坐标，从中量取检校点坐标作为测量值。同时采用三种不同移动测量设备分别采集试验场内所有三维数据，对样本中相同位置三维模型中的点坐标进行测量，并进行精度统计。但由于地形限制，车辆无法在居民广场内行进，因此车载激光移动建模测量系统采集数据较少，仅对居民小区及居民广场外围进行了采集。依据中误差计算公式 可知，采集点个数对中误差影响较大，为增加结论的可靠性，本次实验仅对三种移动测量设备采集的同名点进行精度统计。经分析，此次共采集同名平面点79个、同名高度 33 条。对背负式点云模型进行精度统计，最大平面误差为 0.599m，最小平面误差为 0.031m，检测倾斜模型平面中误差为0.266m；最大高度误差为 0.501m，最小高度误差为 0.001m，检测倾斜模型高度中误差为0.182m。对架站式点云模型进行精度统计，最大平面误差为 0.265m，最小平面误差为 0.005m，检测倾斜模型平面中误差级别成图比例尺平面精度/m高度精度/m级1:500（外业调绘）0.30.5级1:500（非外业调绘）0.50.8级1:10000.81.0级1:20001.42.0级1:50003.55.0注：困难地区（如林区、阴影覆盖隐蔽区等）的平面、高度中误差可按表中规定放宽 0.5 倍，两倍中误差为最大误差。125青海科技202303成果视窗青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY为0.108 m；最大高程误差为 0.269m，最小高程误差为 0.008m，检测倾斜模型高度中误差为0.128 m。对车载式点云模型进行精度统计，最大平面误差为 0.426m，最小平面误差为 0.008m，检测倾斜模型平面中误差为0.124m；最大高程误差为 0.465m，最小高程误差为 0.003m，检测倾斜模型高度中误差为 0.137m（具体误差情况详见表 3、表 4，误差值分布为中误差在各区间内点数占总点数的百分比，误差分布趋势见图 5、图 6）。误差区间设备误差分布/%背负式架站式车载式0 M0/370.8094.0081.80M0/3 M0/226.203.009.10M0/2 3M0/40.003.006.103M0/4 M03.000.003.00M02M00.000.000.00误差区间设备误差分布/%背负式架站式车载式0 M0/315.8060.5078.90M0/3 M0/217.1019.709.30M0/2 3M0/426.3017.102.603M0/4 M018.402.703.90M02M01.300.000.00表 3 平面位置误差分布统计表表 4 高度误差分布统计表注：M0为允许中误差，取值0.3m；M为检测中误差。注：M0为允许中误差，取值0.3m；M为检测中误差。图 6 高度误差分布图图 5 平面位置误差分布图126青海科技202303成果视窗青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY由表 3、表 4 及图 5、图 6 可以看出，本次实验中仅就检验样本精度而言，架站式激光扫描仪精度最高，车载式激光移动测量系统次之，背负式激光雷达扫描系统相对较差。水平误差较分散，普遍分布于 0 3M0/4 区间内；高度误差则相对集中，基本分布于 0 M0/3 中。针对地面点与屋檐角点精度分别进行比对，未发现有明显误差区别。在测量耗费时长方面，数据采集依据测区道路通达性，沿着作业前规划好的路径分别进行。传统全站仪+RTK 方式，外业数据采集约 5h，内业数据处理耗时约 1h，共计耗时约 6h，但传统采集方式内业数据处理仅对数据精度进行计算，未生成点云、三维模型等成果，因此内业数据处理时长不具有参考性；背负式激光雷达扫描系统外业数据采集耗时约1h，内业数据处理耗时约8h，总计消耗约 9h；架站式激光扫描仪外业数据采集耗时约 12h，内业数据处理耗时约 6h，总计消耗约 18h；车载激光移动建模测量系统外业数据采集耗时约 40min，内业数据处理耗时约 8h，总计消耗约 9h。从数据采集方面来看，背负式激光雷达扫描系统及车载激光移动建模测量系统采集数据的效率明显高于常规测量方法，大大减轻检验人员外业工作强度；架站式激光扫描仪采集数据效率与传统采集方式基本相同。虽然移动测量设备数据内业处理时间耗费较长，但这一过程由计算机自动进行，无需人工干预，仅要求检验人员掌握后处理软件的使用方法。图 7 4 种技术方案用时对比图经分析，架站式激光扫描仪与传统采集方式最为相似，稳定性较高，但由于采集时需不断搬站，效率相较于其他两种采集方式较低。背负式激光雷达扫描系统误差主要来源于作业过程中行进时的不稳定，作业人员在采集时行走的高低变化对于数据精度尤其是高程精度影响较大。且背负式激光雷达扫描系统在数据采集时均需由作业人员背负前进，对作业人员的体力消耗较大。车载激光移动建模测量系统在测量时对数据采集场地要求较高，对于车辆无法到达的区域无法完成采集，也造成本次实验中采集点数较少，但在可采集区域稳定性较好，效率较高，同时车辆行驶速度对平面精度的影响要远远大于对高程精度的影响。若想获取更高的三维点云信息的精度，需要对该系统进行进一步的优化和检校，以减小系统误差，提高卫星信号失锁时数据的精度。4 结论本文通过对同一实验对象采用背负式激光雷达扫描系统、架站式激光扫描系统、车载激光移127青海科技202303成果视窗青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGYComparison of Mathematical Accuracy of Mobile Measuring Equipment in Real 3D Results InspectionLiWeidong1,2,ZhaoYing1,2,ZhangRui2,WangBo1,2（1.KeyLaboratoryofGeomaticsTechnologyandApplicationofQinghaiProvince,Xining810001,China;2.CenterofSurveyingandMappingProductsQualityCheck&SupervisionofQinghaiProvince,Xining810001,China）Abstract:Asanewsurveyingandmappingachievement,thetraditionalqualityinspectionmethodofreal3Ddatahasmanyproblems,suchasheavyworkload,lowefficiencyandtighttimecycle.Therefore,itisurgenttofindafastandefficientqualityinspectionmethodfor3Dachievements.Thispaperaimstostudywhetherthemobilemeasurementsystemcanimprovetheefficiencyandaccuracyofthequalityinspectionof3Dresultsbycollectingfielddatainavarietyofwaysquicklyandefficiently,andacquiring3Ddatainformationofgroundobjectsthroughpost-processing.Basedonthedatacollectedbythreekindsofmobilemeasurementequipmentonthesameexperimentalsite,andcombinedwiththespecificrequirementsofqualityinspection,thepapersystematicallyanalyzesthedataaccuracyandworkefficiencyofusingmobilemeasurementsystemtocarryoutqualityinspectionofachievements.Keywords:Mobilemeasurementequipment；3Dlaserscanning；Pointclouddata动测量系统采集点云数据，在分别与传统 GPS-RTK 采集数据作精度对比后不难发现：三种移动测量设备采集精度在实景三维数据的成果质检工作中均能达到三维模型级精度要求（即 1:1000成图比例尺要求）。架站式方式采集数据数学精度最高，但是其工作效率最低；背负式方式采集数据数学精度最低，工作效率次之；车载式方式采集数据数学精度介于架站式与背负式之间，但其工作效率最高。结合实验结果分析，对于车辆能够到达的区域车载激光移动测量系统能够较好地完成采集工作，且采集时稳定性较好、效率较高，在控制车辆行驶速度的前提下对于三维成果质检工作可作为最优选择。而在车辆无法到达的作业区域中，背负式激光雷达扫描系统效率较高，但对操作的质检人员要求较高，在质检人员经验丰富、能够保证作业过程中行进稳定性的情况下，可作为最优选。由于三种移动测量方式获取的点云数据量大，内业对点云数据进行去噪、平滑等处理时花费的时间相对较长，而提取实际所需的检测点与之相比仅是极微小的部分。在不影响点云数据精度情况下，如何提高数据的有效性、减少数据冗余进而提高工作效率将是今后工作的研究重点。参考文献:1张新盈.三维激光移动测量技术在地形测量中的应用J.商情,2020(35):172-173.2李德仁.移动测量系统技术及其应用R.2013.3王凯,唐艳梅,尧丽鸣.3D移动测量车系统在道路测量中的应用J.城市建设理论研究(电子版),2013(22).4鲁勇,王留召,郭姣,等.车载激光移动建模测量系统点云精度检核与误差来源分析J.中州煤炭,2012(6):53-55+57.