车载激光扫描技术在城市全要素地形测绘中的应用

车载激光扫描技术在城市全要素地形测绘中的应用

张文雄

山东卓群地理信息技术有限公司 山东 临沂 276000

摘要：全要素地形图是以地理信息服务精细化、精确化、真实化、智能化为目标，利用倾斜摄影、激光扫描等传感技术获取全息地理实体要素。激光扫描系统能够在高速移动状态下，获取道路以及道路两侧建筑物、树木、交通标牌等地物表面的精确三维信息，具有数据采集速度快、自动化程度高、受天气影响小、数据内容丰富等优势，对于提高测绘成果生产效率及自动化水平具有十分重要的作用。

关键词：车载激光扫描；城市全要素测绘；地形测绘

1车载激光扫描技术的工作原理及特点

1.1工作原理

1.1.1车载激光扫描系统实现技术同步

首先通过同步控制软件将各组件开始数据采集的时间相统一；然后采集数据时以流动站卫星定位接收机的时间为标准，GPS向激光和惯导系统不断地发秒脉冲与此同时激光与惯导系统向卫星定位接收机的I/O口打标，这样就能将激光和惯导系统采集到的数据贴上世界协调时的标签，而激光发出的秒脉冲可以通过电子转台和线阵相机的控制及来实现时间上的同步。卫星定位接收机向安装在轮胎上的里程计发出脉冲，用来控制其数据的采集，再对各个传感器采集到的观测数据值进行外推和内插，这样就可以保证每个传感器的数据建立在共同的时间坐标轴上，也就能实现各系统数据的融合处理，各个系统的时间同步实现。

1.1.2GPS和IMU相辅相成

虽然利用GPS差分定位技术可以得到厘米级的精度，但由于大型的构建筑物的遮挡或多路径效应，经常会遇到一直处于浮动状态、定位精度差的情况^[1]。惯导系统却具备在不良环境中能够实现平稳输出的优点，其有较高的稳定性，缺点是伴随着时间积累，导航精度下降。车载三维激光扫描系统加入惯导系统进行辅助导航定位，正好能与GPS取长补短，如果GPS因为遮挡失去锁定时，惯导系统这时就可以发挥作用，继续提供导航服务，较好地处理了卫星失锁的问题。

1.1.3点云数据的匹配

融合惯导系统不但可以提供三维激光扫描系统的姿态信息，还可以提供较为精确的定位信息，从而求出各个扫描点的偏移坐标，再将偏移坐标和扫描车的瞬时大地坐标两两相加，就可以获取扫描点在大地坐标下的坐标值了^[2]。在扫描时刻扫描点的单点坐标，按照扫描点的空间姿态，去跟扫描仪获取的距离参数和角度参数进行匹配，就可以推算得到激光点云数据，而且将融合后的三维激光点云数据和线阵相机所获取的物体的纹理数据再一次进行融合，就能得到真彩色的激光点云数据。

1.2车载激光扫描技术的特点

（1）高精度。能够提供高达6cm的测量精度；（2）高效率。可快速大量采集空间点信息，可风雨无阻地作业，项目时间大幅缩减；（3）低强度。人员仅需要操作笔记本电脑，避免日晒雨淋，大量外业工作转至内业；（4）数据获取自动化。车载激光扫描系统各传感器相辅相成，再加上成熟配套软件，获取数据安全可靠，自动化程度高；（5）数据获取可视化。获取的点云数据可以全面地反映地形或地貌的表面特征，更加准确、直观，一目了然。

2车载激光扫描技术在城市全要素地形测绘中的应用

2.1扫描数据解算

2.1.1轨迹数据解算

本项目采用Inertial Explorer进行POST解算，POST解算的主要步骤如下:1)新建工程。新建车载点云扫描工程文件，文件中包含原始点云数据、GNSS数据、IMU数据等。2)原始数据转换。将基站GNSS数据与移动站GNSS数据转换为IE处理软件可识别的数据，数据为*．gpb格式。3)添加基准站、移动站原始数据，对基站观测数据与移动站观测数据进行差分处理。4)GNSSIMU组合解算。利用GNSS数据与惯导数据对车载运动轨迹进行解算，获得准确且高精度的轨迹数据。5)输出轨迹结果。将解算完成的轨迹数据以固定的格式输出，为点云数据解算提供准确的坐标。

2.1.2点云数据解算

车载点云数据的解算流程:1)准备解算好的POST数据、激光雷达数据和系统检校数据;2)在车载点云解算软件中新建工程，添加POST数据与原始激光雷达数据;3)利用原始点云数据与轨迹数据解算生成机载三维点云，其参数:坐标系统为WGS84，123°中央经线高斯投影坐标，大地高系统;4)整理影像，通过影像为点云上色，制作彩色点云。

2.2点云数据纠正

纠正点平面测量的精度不低于图根点精度，采用VＲSＲTK模式施测，每个点独立初始化2次，当4组数据的平面点位较差小于2cm时，取其平均值作为平面坐标成果，检测坐标与实测坐标较差应小于3cm。纠正点高程测量的精度应不低于图根水准的要求，宜采用图根水准或GNSS高程测量方法测定^[3]。纠正点的选取原则如下:1)纠正点应根据扫描路线的情况每间隔200m左右布设1个点;2)交叉路口必须布设纠正点;3)纠正点按照预先确定的规则，选择特征点进行布设;4)每个纠正点位置应方便立尺;5)充分利用现有的具有一定厚度和大小的道路标线;6)选定行进方向的停车线外角、道路分割线外角、箭头等特征点;7)无法找到合适的道路标线时，可以选择点云中易于识别的特征地物。

2.3矢量提取范围

在全要素地形图中，利用车载激光点云数据进行道路地形矢量提取，按照道路地形采集要求，将道路分为2个范围进行矢量数据的采集。一是道路及两侧区域:此作业范围内所有城市道路以及道路两侧城市部件等各类地理实体，具体采集区域是从道路一侧的人行道最外侧边缘到道路另一侧人行道最外侧边缘(含两侧人行道);二是道路两侧至街坊围墙(或临街第一排建筑)区域:此作业范围内道路两侧至街坊围墙区域内的植被、公共设施、城市部件等各类地理实体，具体的采集区域是从道路两侧人行道最外侧边缘至街坊围墙或临街第一排建筑。

2.4外业调绘

考虑到点云及影像无法完全反映实际地物的全部信息，在矢量化过程中存在部分区域缺失，或者部分地物属性不明确的现象，因而需要进行实地外业补测与调绘。在实地外业补测与调绘工作中，应制定严格的补测与调绘计划，研究测区的概况与地形特征，安排人员依照制定的路线进行调绘^[4]。调绘前应对通过车载点云与影像采集的矢量数据进行检查，检查数据的表达是否合理，有无缺漏;调绘过程中应做到走到、看到，判读准确，应用合适的符号进行标注，清楚各类需要调绘要素的具体要求，做到心中有数。

2.5内业数据编辑与属性添加

在对点云与影像数据进行二三维矢量化的过程中，对实际地物中的点、线、面等要素进行内业人工提取，考虑到提取过程中会有遗漏、错误等问题，在数据提取和外业调查、补测完成后，应按照综合取舍的原则进行数据编辑。

结束语：

综上，与传统地形图相比，利用车载激光扫描提取的全要素地形图地物种类更加齐全，属性更加丰富，三维信息更加准确。通过研究表明，利用车载激光扫描技术进行城市大比例尺全要素地形测绘是切实可行的。随着车载激光扫描技术与定位技术的不断发展，新的测绘技术将在测绘事业转型发展中发挥更大的作用。

参考文献：

[1]朱召锋.车载激光扫描技术在公路扩改建测绘中的应用[J].北京测绘,2019,33(11):1348-1351.

[2]王越,陈涛,黄山,陈兵,康一飞.车载激光扫描技术在城市道路夜间停车调查中的应用[J].测绘地理信息,2019,44(01):97-100.

[3]娄挺.探析城市地形测绘、地籍测绘与房产测绘中相关问题[J].住宅与房地产,2018(31):19.

[4]周海平.车载激光扫描技术在三维地籍测量项目中的精度分析[J].地理空间信息,2018,16(10):14-16+10.