移动测量设备在实景三维成果质检中的数学精度对比.pdf
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1、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
2、 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
3、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
4、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:100
5、5-9393(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
6、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
7、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
8、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
9、。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)18
10、0317-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
11、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
12、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
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