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設(shè)備與工具［摘 要］本文研究RTK、三維激光掃描和無人機(jī)三種地形圖測繪的方法。RTK采用傳統(tǒng)單點(diǎn)測圖的方法，三維激光掃描采用三維點(diǎn)云測繪圖的方法，無人機(jī)采用三維實(shí)景模型測圖的方法。研究結(jié)果表明：大場景的地形圖測繪，采用RTK進(jìn)行單點(diǎn)測圖測量精度受地理環(huán)境因素影響較大、效率較低，但成本較低。采用三維激光掃描和無人機(jī)進(jìn)行測圖測量精度受地理環(huán)境因素影響較小、效較高，但成本較高。因此，針對不同要求的地形圖測繪項(xiàng)目，選擇合適的地形圖測繪方法極為重要。
引 言
近年來，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，地形圖測繪方法由傳統(tǒng)的全站儀和RTK測量，發(fā)展到今天的三維激光掃描測量和無人機(jī)的測量，不僅采集方式發(fā)生變化，而且數(shù)據(jù)處理的方式也發(fā)生了較大的變化，相對于傳統(tǒng)的測量節(jié)省了較大人力和物力。另外隨著社會的發(fā)展三維激光掃描測量的搭載的設(shè)備又延伸到了車載和機(jī)載的三維激光掃描測量，采集方式更勝一籌。而無人機(jī)測量作為目前測繪行業(yè)最熱門的測量方式，也存在較多問題待解決。本文針對這三種測繪方法進(jìn)行了簡單的對比分析。
01 研究對象介紹
本文研究對象為江蘇省師范大學(xué)泉山校區(qū)， 該對象位于江蘇省徐州市銅山區(qū)，地勢較為平坦，周邊有高山。黑色實(shí)線范圍為研究對象的測區(qū)范圍，測區(qū)范圍內(nèi)高層建筑物和樹木較多，地物較為復(fù)雜。測區(qū)面積約為0.8km2，研究對象的測區(qū)范圍如圖１所示。
圖１：研究對象測區(qū)范圍
02 數(shù)據(jù)采集
本文數(shù)據(jù)的獲取主要利用三種測量方法，依次是RTK測量方法、三 維激光掃描方法和無人機(jī)測量方法。
2.1 RTK 數(shù)據(jù)采集
RTK 數(shù)據(jù)采集使用的是天宇 Ｇ１RTK 測量 系統(tǒng)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量（RTK）精度 為±（１０ｍｍ＋ １ｍｍ／ｋｍ?ｄ），ｄ 為被測點(diǎn)間距離，儀器內(nèi)置傾斜補(bǔ)償器，根據(jù)對中桿傾斜方向和角度自動(dòng)校正坐標(biāo)，測量方式為網(wǎng)絡(luò)模式（網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站和移動(dòng)站）。數(shù)據(jù)采集時(shí)，首先確定測區(qū)范圍的地理概況，然后根據(jù)測區(qū)范圍的現(xiàn)場情況進(jìn)行人員和儀器安排，最后安排２組人員（每組２人）和２套儀器（每組 RTK 和全站儀各一套），分別從測區(qū)范圍的兩端向中間進(jìn)行。當(dāng)使用RTK測量完成后，由于RTK信號受高層建筑物和高大樹木的影響無法再使用RTK進(jìn)行測量，可使用全站儀進(jìn)行輔助測量。該方法進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集用時(shí)32ｈ。數(shù)據(jù)采集主要流程如圖２所示。
圖２：RTK數(shù)據(jù)獲取流程
2.2 三維激光掃描數(shù)據(jù)采集
三維激光掃描數(shù)據(jù)采集使用的是RiegLVZ-1000三維激光掃描儀，掃描距離為1400m，掃描精度為５ｍｍ／１００ｍ（單點(diǎn) 掃 描），儀器內(nèi)置雙軸傾斜傳感器，可自動(dòng)校正掃描儀，激光掃描方式為脈沖式。數(shù)據(jù)采集時(shí)，首先確定測區(qū)范圍的地理概況，然后根據(jù)測區(qū)范圍的現(xiàn)場情況進(jìn)行布設(shè)掃描 測站和控制點(diǎn)，最終布設(shè)掃描測站44站，其中根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況增加了５站，共掃描４９測站，采集特征控制點(diǎn)１６個(gè)。其中三維激光掃描安排一組人員，每組２人（每組一套儀器），該方法進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集用時(shí)１２ｈ。三維激光掃描數(shù)據(jù)采集主要流程如圖３所示。
圖３ 三維激光掃描數(shù)據(jù)獲取流程
2.3 無人機(jī)數(shù)據(jù)采集
圖４：無人機(jī)數(shù)據(jù)獲取流程
03 數(shù)據(jù)處理
3.1 RTK數(shù)據(jù)處理
RTK 數(shù)據(jù)處理使用的是 CASS9.1軟件，該軟件主要是針對 RTK 和全站儀采集的野外數(shù)據(jù)進(jìn)行地形圖的繪制。由于該地形 圖 是使用兩種儀器進(jìn)行測繪的，因此在繪制地形圖之前需要將野外采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并和格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成 CASS9.1軟件可以導(dǎo)入的格式（點(diǎn)名，Ｘ，Ｙ，Ｚ轉(zhuǎn)為點(diǎn)名，Ｙ，Ｘ，Ｚ）。然后導(dǎo)入到 CASS9.1軟件中，野外測點(diǎn)點(diǎn)號，根據(jù)野外繪制的草圖或者野外測點(diǎn)點(diǎn)名進(jìn)行地形圖的繪制，該方法測量精度受地理環(huán)境因素影響較大、效率較低。RTK 的數(shù) 據(jù)處理主要流程如圖５所示。
圖５：RTK數(shù)據(jù)處理流程
3.2 地面三維激光掃描數(shù)據(jù)處理
三維激光掃描數(shù)據(jù)處理使用的是 Riscanpro1.6.4 和 EPS2016 三維測圖軟件，Riscanpro1.6.4軟件主要是將野外采集的三維激光點(diǎn)云數(shù) 據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)和去噪，EPS2016三維測圖軟件依據(jù) 處理后的三維激光點(diǎn)云模型進(jìn)行三維測圖。首先數(shù)據(jù)處理前需要將三維激光點(diǎn)云進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成可以導(dǎo)入到 Riscanpro1.6.4 軟件的格式再進(jìn)行下一步的處理。另外在三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)之前需要將掃描的49個(gè)測站數(shù)據(jù)依次導(dǎo)入到 Riscanpro1.6.4軟件中進(jìn)行壓 縮，以便于快速的進(jìn)行配準(zhǔn)。配準(zhǔn)是依據(jù)采集的控制點(diǎn)對掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，使掃描坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成工程坐標(biāo)系，坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換主要是計(jì)算七參數(shù)（平移參數(shù)３個(gè)、旋轉(zhuǎn)參數(shù)３個(gè)和縮放參數(shù)１個(gè)）。然后將配準(zhǔn)完的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，保留對三維測圖有價(jià)值的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。最后將處理后的測區(qū)范圍導(dǎo)入到 EPS2016 三維測圖軟件中進(jìn)行地形圖的繪制，該方法測量精度受地理環(huán)境影響因素較小、效率較高。三維激光掃描儀數(shù)據(jù)處理的主要流程如圖６所示。
圖６：三維激光掃描數(shù)據(jù)處理流程
3.3 無人機(jī)數(shù)據(jù)處理
無人機(jī)數(shù)據(jù)處理使用的是Smart3D4.4.9 和 EPS2016三維測 圖軟件，Smart3D軟件是將采集的無人機(jī)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行測區(qū)正射影像和三維實(shí)景模型的構(gòu)建，EPS2016三維測圖軟件是依據(jù)測區(qū)正射影像和三維實(shí)景模型進(jìn)行三維測圖。
首先在進(jìn)行無人機(jī)影像處理前需要對野外采集的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除曝光過度、模糊和重復(fù)的影像，否則會導(dǎo)致Smart3D軟件處理過程中失敗。然后將采集的像控點(diǎn)刺在無人機(jī)影像上，進(jìn)行空中三角測量的處理，由于大疆Phantom4RTK 采集的pos數(shù)據(jù)自動(dòng)寫入到影像，因此在進(jìn)行空中三角測量處理時(shí)，不必再導(dǎo)入pos數(shù)據(jù)，刺完像控點(diǎn)后進(jìn)行空中三角測量處理即可。另外根據(jù)工程需要，在Smart3D軟件中設(shè)置好參數(shù)后，軟件會自動(dòng)的構(gòu)建測區(qū)的正射影像和三維實(shí)景模型。最后在EPS2016三維測圖軟件中根據(jù)二維正射影像和三維實(shí)景模型實(shí)現(xiàn)二三維聯(lián)動(dòng)的進(jìn)行地形圖的繪制，該方法測量精度受地理環(huán)境影響因素較小、效率較高。無人機(jī)數(shù)據(jù)處理的主要流程如圖７所示。
圖７：無人機(jī)數(shù)據(jù)處理流程
04 綜合分析
通過對表１分析得到：
表１ 地形圖測繪不同方法對比表
數(shù)據(jù)量和所占內(nèi)存
這三種方法進(jìn)行地形圖測繪采集的數(shù)據(jù)量和所占內(nèi)存相差較大。RTK采集的數(shù)據(jù)量和所占內(nèi)存相對于三維激光 掃描采集的數(shù)據(jù)量和所占內(nèi)存少（?。┑目梢院雎圆挥?jì)，但是RTK采集的數(shù)據(jù)都是特征數(shù)據(jù)，而三維激光掃描和無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)存在大量的冗余和噪點(diǎn)，必須予以剔除后方可使用，處理過程較為復(fù)雜，并且對存儲設(shè)備內(nèi)存要求較高。
內(nèi)業(yè)和外業(yè)用時(shí)
這三種方法進(jìn)行地形圖測繪內(nèi)外業(yè)用時(shí)相差較大，RTK外業(yè)用時(shí)長，但是內(nèi)業(yè)用時(shí)短。而三維激光掃描和無人機(jī)測繪外業(yè)用時(shí)短，但是內(nèi)業(yè)用時(shí)較長。并且內(nèi)外業(yè)總用時(shí)也較短。再者RTK 測量受地勢和信號影響較大，而三維激光掃描和無人機(jī)測量相對于 RTK 測量來說受地勢和信號影響較小。
自動(dòng)化和設(shè)備成本
這三種方法進(jìn)行地形圖測繪自動(dòng)化程度和設(shè)備的成本相差較大， RTK測量自動(dòng)化程度低，但是設(shè)備成本較低，一般大中小型的測繪單位都有該設(shè)備。三維激光掃描測量自動(dòng)化程度較高，但是相對于無人機(jī)測量來說還是較低，無人機(jī)測量的自動(dòng)化程度在這三種方法中尤其突出。另外三維激光掃描設(shè)備價(jià)格昂貴，一般中小型的測繪單位是負(fù)擔(dān)不起的，無人機(jī)測量設(shè)備價(jià)格和RTK 測量設(shè)備價(jià)格相仿，可根據(jù)工程需要選擇合適的測繪方法。
05 結(jié)束語
通過對這幾種大比例尺地形圖測繪方法的 對比分析發(fā)現(xiàn)，有幾個(gè)需要進(jìn)一步研究解決的問題：
1. RTK 測量技術(shù)在數(shù)據(jù)采集時(shí)，針對信號較差地方的數(shù)據(jù)采集問題較為困難。
2. 三維激光掃描測量技術(shù)雖然精度較高，但是在數(shù)據(jù)采集時(shí)存在大量的冗余和噪點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理過程中較為麻煩。
3. 無人機(jī)測量技術(shù)在數(shù)據(jù)處理時(shí)，建筑物附近的茂盛樹木對構(gòu)建三維實(shí)景模型的影像和空地影像聯(lián)合建模的問題，都需要進(jìn)一步的解決。
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