移动测量技术在测制大比例尺地形图中的应用

张杰

摘要：近年来，随着科学技术特别是计算机技术的飞速发展，三维激光扫描技术应运而生，并作为一种全新的空间数据获取方法运用于测绘领域。基于三维激光扫描技术整合全景影像采集、融合技术，形成新的测绘技术-移动测量技术，该技术摒弃了传统测量手段的作业方法，克服了以往测绘行业的局限性，通过向被测量物体发射激光束同时进行采集全景影像的方式，能够直观、快速、高效地获取地物的空间三维坐标，经点云数据的融合和全景影像拼接等数据处理，可以半自动生成数字地形图。

关键词：移动测量技术；POS数据处理；测制大比例尺地形图；应用

1移动测量系统

1.1系统构成

移动测量系统中子系统主要包括激光扫描系统、惯性导航系统、全景影像采集系统、控制系统、电源供应系统和GNSS天线。控制系统主要负责整个移动测量系统的正常运作，包括对激光扫描仪、GNSS天线、惯性导航系统、全景相机的控制；供电系统是整个移动测量系统的电力保障。

1.2工作原理及技术关键

移动测量技术能够快速获取直接反映测量目标实时和真实形态特性的空间点云数据和全景影像数据，该系统的工作原理是：三维激光扫描发射器发出激光脉冲信号，到达物体表面发生漫反射，沿几乎完全相同的路径返回到接收器，从而根据反射的时间可以计算出目标点P与扫描仪中心的距离S，同时根据数据后处理结算得到扫描仪的POS数据。

1.3移动测量系统的误差来源分析

三维激光测量技术的误差来源大致可以分为三类误差：仪器本身的误差、与反射有关的误差、外界环境条件引起的误差等。

1.3.1仪器本身产生的误差

仪器本身的误差主要表现为扫描角度和激光测距产生的误差。三维激光扫描仪角度扫描系统内部的激光光束偏转系统是造成扫描角度产生偏差的主要来源；三维激光测距不论是脉冲式或是相位式测距，都会存在测距误差。

1.3.2反射有关的误差

由于扫描的物体表面材质不同，颜色不同以及路面湿滑程度不同等，都会使物体的反射率发生改变，影响扫描点的精度；另外，反射物的倾斜角度不同也会对精度产生影响。

1.3.3外界条件引起的误差

外界因素主要体现为温度的不同会使仪器受热不均产生误差，另外风力会导致仪器产生轻微的偏移或振动，仪器的姿态不稳也会产生误差。

2内业数据处理

2.1点云数据处理

2.1.1 POS處理流程概述

POS处理是把数据采集过程中的移动站（R7）、基站（R4）的GPS原始信息导出并在IE软件下进行GNSS解算，加以惯导数据耦合，从而得到平滑的GPS轨迹的过程。

2.1.2 数据准备

（1）GNSS数据准备

导出原始数据并利用ConvertToRINEX将移动站和基站的数据转换为IE软件支持的GPB格式文件。

（2）IMU数据准备

利用IMU转换工具，将惯导输出的原始文件.Nav进行转换。转换完成后，可以在存放*.nav文件的目录下看到有几个文件生成，*.bin文件为raw格式的惯导数据，*.txt为实时惯导数据，*.nav为惯导的原始数据，*._out.txt为调试信息文件；其中，*.imr与IE软件支持的格式有出入，需做进一步转换后才能使用。

（3）DMI数据准备

将原始数据中的*.dmr拷贝到新建的GNSS后处理工程目录下的IMU文件夹下。

2.1.3POS解算

（1）工程目录的建立

为了便于管理，工程目录的建立依据数据采集的时间建立，并在该目录下，新建基站、移动站、IMU及IE工程文件夹。

（2）GNSS解算

① 移动站和基站的GPS数据生成GPS轨迹打开Inertial Explorer，导入移动站原始数据（R7.14o），设置移动站天线型号为TRM55970.00，选择基站原始数据，设置基站参数，利用Inertial Explorer得到GPS轨迹。② 惯导原始（*.imr）数据修正GPS轨迹加入惯性导航数据，因为GPS密度较低，没有姿态信息，需要惯性导航数据提供姿态信息；同时，在GPS失锁的情况下，也需要惯性导航数据来辅助获取位置和姿态的信息。利用IE软件将惯导的.bin文件转换为.imr文件使之能在IE下使用，向工程添加完*.imr后得到其轨迹，接下来进入耦合，得到加入惯性导航数据后修正后GPS轨迹。③ DMI数据（*.dmr）修正GPS轨迹将*.dmr文件拷贝至存有mu的文件夹下，利用Inertial Explorer，加上新进入的.dmr文件进行耦合，得到加入DMI数据后修正后GPS轨迹。至此，POS数据的处理已基本完成，得到耦合后平滑的GPS轨迹。

2.1.4数据精度分析

（1）位置误差分析纵坐标表示偏差的值，横坐标表示GPS时间（周每秒）；通过分析位置精度曲线，可以确定误差的大致范围以及最大误差为多少。（2）姿态误差分析纵坐标表示偏差的数值，横坐标表示GPS时间（周每秒）；通过分析姿态上的变化，可以看出姿态的偏差及偏差的范围和程度。（3）GPS信号分析纵坐标表示卫星的颗数，横坐标表示GPS的时间（周每秒）；通过分析卫星颗数，可以查看某一时间段内GPS信号的强弱，若卫星颗数多则表明当前GPS信号良好，若卫星数量少，则说明当前GPS信号不好。

2.2全景影像拼接

连续全景影像的采集系统一般由视频采集设备、GPS接收器、移动工作站及配套设备组成。车辆顶部架设全景视频采集设备和GPS接收器，在车辆行驶过程中采集道路周边360°的全景视频和坐标。采集中，一个场景由多张图片和一个坐标组成，经图像拼接与融合后得到球面投影的全景帧。连续采集的全景帧经过视频处理后，就得到连续全景影像数据，其中每一帧都对应一个坐标。球面投影的全景影像在实践中，因受城市楼宇与树木的遮挡，GPS设备采集的坐标并不准确，而视频设备的采集频率要比GPS采集频率高很多。因此，不可能针对每一帧都获得一个高精度的坐标。一般是通过加装惯性导航单元（IMU）等硬件设备来获得每一帧的坐标或者姿态。连续全景影像采集过程中，因采集车辆正前方或正后方的物体距离摄像机较远，汽车的直线运动不会引起这些景物在连续两个全景帧中同名像素的坐标变化，而其转向或颠簸运动会引起俯仰角变化，从而引起同名像素的坐标变化。根据这一现象，可以通过跟踪连续全景影像正前方或正后方同名像素的坐标变化来解算连续影像的航向与俯仰角度变化。

参考文献：

[1] 张养安， 李俊锋， 薛兆元，等. 车载移动测量系统在大比例尺地图测量和更新中的应用[J]. 北京测绘， 2016（6）：115-118.

（作者单位：61243部队）