1、测绘通报2023 年第 6 期引文格式:崔磊，刘英杰，陆洪波，等 基于检定场的移动背包扫描测量系统精度评定J 测绘通报，2023(6):142-145 DOI:10 13474/j cnki11-2246 2023 0183基于检定场的移动背包扫描测量系统精度评定崔磊，刘英杰，陆洪波，王东旭(北京市测绘设计研究院，北京 100038)摘要:移动背包扫描测量系统长期使用后对系统测量精度和可靠性产生影响，系统检校和精度评定在国内尚无规范标准。针对此问题，本文研究了移动背包扫描测量系统的性能指标和关键技术，并基于北京市标准长度基线场，构建了移动背包三维扫描测量系统检校与精度评定空间位置基准，提出了系
2、统综合检校和精度评定方法。以徕卡移动背包扫描系统为研究对象，在北京市标准长度基线场检校基柱周边有序错落布设 25 个自制立体反射靶标，建立反射靶标特征点三维坐标标准值，比对靶标特征点扫描测量值与标准值，评估分析系统测量精度。试验结果表明，系统平面点位精度优于 3 cm，高程精度优于 2 cm，为移动背包扫描测量系统精度评定和可靠性应用提供了可靠依据。关键词:移动背包扫描测量系统;立体反射靶标;综合检校;精度评定中图分类号:P237文献标识码:A文章编号:0494-0911(2023)06-0142-04Accuracy evaluation for mobile backpack-mounte
3、d scanning systembased on standard baseline fieldCUI Lei，LIU Yingjie，LU Hongbo，WANG Dongxu(Beijing Institute of Surveying and Mapping，Beijing 100038，China)Abstract:After the long-term use，there will be the impact on the measurement accuracy and reliability of the mobile backpack-mounted scanning sys
4、tem，without no standard for system calibration and accuracy evaluation The key technologies and performancesindexes of backpack-mounted scanning system are studied The comprehensive accuracy evaluation method is put forwardThehomemade stereo reflection targets as feature points are distributed in an
5、 orderly way around the calibration pillars of Beijing standardlength baseline field，and the comprehensive accuracy of the system is evaluated and analyzed by comparing the scanning measurementvalues of target characteristic points with the standard values The experimental results show that the plan
6、e accuracy of the system isbetter than 3 cm and the elevation accuracy is better than 2 cm，which provides a reliable basis for the accuracy evaluation andreliability application of the backpack-mounted scanning systemKey words:backpack-mounted scanning system;stereo reflection targets;comprehensive
7、calibration;accuracy evaluation当前，随着三维扫描技术的快速发展，三维激光扫描系统融合了同步定位与制图技术(SLAM)、卫星导航定位、惯性导航、点云配准和近景摄景测量等技术，现已被广泛应用于大比例尺地形图测绘、文物测绘、地下空间测绘和规划监督测量等多个领域。车载、站式、背包式、手持式、推车式三维激光扫描测量系统组合应用势必在新型基础测绘和实景三维中国建设中发挥重要作用。三维激光扫描测量系统长期使用后，系统电子器件老化等对系统测量精度和可靠性均有影响，因此系统检校与精度评估研究非常必要。目前，系统检校和精度评定在国内尚无规范标准，为此，国内外一些学者开展了相关研究，
8、并取得了一定的成果。文献 1 研究了移动背包三维激光扫描系统的Pure SLAM 和 Fused SLAM 作业方法，比较分析了系统在轨道交通工程竣工测量项目应用;文献 2研究了背包式移动三维激光扫描系统，并对关键技术进行了对比分析，验证了此类设备的精度和效率;文献 35 研究了移动扫描背包采集的三维点云数据与传统全站仪和 RTK 采集的数据，验证了移动背包扫描系统测制大比例尺地形图的可行性;文献 68 对 3D SLAM 激光影像背包测绘机器人采集的点云数据进行了目标物尺寸量测，验证了系统精度，可用于室内、室外等三维模型构建;文献 9借241收稿日期:2023-02-14基金项目:北京市自然
9、科学基金青年基金(4214069)作者简介:崔磊(1984)，男，硕士，高级工程师，主要从事三维激光扫描、仪器检校和工程测量工作。E-mail:cuilei125 163 com2023 年第 6 期崔磊，等:基于检定场的移动背包扫描测量系统精度评定助自制的特殊标志和反射片，提出了移动测量系统综合精度评定的指标和方法，通过比对系统解算的特征点和特征线完成了系统的综合精度评定。虽然国内外学者对移动式三维激光扫描系统检校和精度评定进行了相关研究，但尚未形成系统检校和精度评定的规范标准。本文研究三维激光扫描测量系统的性能指标和关键技术，建立系统检校与精度评定空间位置基准，并提出系统综合检校和精度评定
10、方法。1移动背包扫描测量系统原理移动背包扫描系统由激光收发装置、扫描控制单元、导航定位单元、影像采集单元、远程控制单元、供电系统和数据处理软件组成。激光发射装置发出光束经扫描控制单元偏转后入射至被测物体表面，根据激光脉冲测距原理获得激光光束发射点到被测物体表面的斜距，结合光束的偏转角度计算物体表面测量点在系统内部坐标系的空间位置坐标，原理如图 1 所示。图 1移动背包扫描系统组成原理移动背包扫描测量系统根据定位原理不同，可分为 3 种类型:单纯依靠 SLAM 技术模式、IMU+ICP点云配准模式和 SLAM 技术+GNSS 定位模式10-12。(1)单纯依靠 SLAM 技术的移动背包扫描系统定
11、位精度受周边环境的影响较大，当周边环境特征较少或差别较小时，定位精度会显著下降，对于室外开阔区域的地形图测量工程，点云融合匹配的效果较差、精度不高。(2)IMU+ICP 点云配准模式的移动背包扫描系统通过 IMU 位置解算和点云匹配算法对点云数据进行整体拼接平差，数据处理效率更高，但当扫描闭合环较长或不闭合，且分段点云数据特征点较少或特征相似时，整体点云数据质量会受较大影响。(3)SLAM 技术+GNSS 定位模式的移动背包扫描测量系统在无 GNSS 信号或信号较差的室内密闭空间或狭窄道路，或是在室外开阔、环境特征差别不明显区域的测量工程适用性更强，点云融合匹配效果更好，能够保证系统测量精度和
12、成果质量。2系统检校与精度评定2.1检校原理基于北京市标准长度基线场，建立移动背包扫描系统平面测量精度和高程测量精度的检校基准。北京市标准长度基线场位于房山区青龙湖镇，基线场设置 10 个强制对中基柱，基柱高低错落，具有高精度的三维空间位置关系，通过组合可建立 1032 m内不同的短基线长度基准，相对精度为 2.3107，基线场拥有高精度 WGS-84 坐标系，可通过坐标系转换为 CGCS2000 坐标、北京地方坐标及独立坐标系，为移动背包扫描系统检校和精度评定提供了高精度的位置基准及精度溯源依据10。北京市标准长度基线场如图 2 所示。图 2北京市标准长度基线场系统检校原理如图 3 所示。以
13、北京市标准长度基线场检校基柱的高精度坐标和高精度距离为基准，在 BJ01BJ07 的检校基柱周边有序错落布设25 个立体黑白反射靶标12-15，编号为 P01P25，靶标周边 10 m 内无强电磁信号干扰，移动路线环视高度角 15以上无障碍物。将利用高精度全站仪测得的靶标特征点平面坐标和高程坐标作为测量标准值，获得靶标 P01P25 的平面和高程坐标。比对移动扫描测量系统对靶标特征点的测量值与标准值，评定移动背包扫描系统平面测量精度和高程测量精度。图 3系统检校原理341测绘通报2023 年第 6 期2.2检校流程2.2.1检校设备以徕卡移动背包扫描测量系统(如图 4 所示)为研究对象，系统集
14、成了高精度 GNSS、IMU 惯导系统和SLAM 技术，且配备了5 个相机和2 个激光扫描仪，可在室内室外、地上地下的复杂环境下，快速、高效、实时地采集周边地物的三维点云和影像数据。徕卡移动背包扫描测量系统关键性能指标见表 1。图 4徕卡移动背包扫描测量系统构成表 1徕卡移动背包扫描测量系统关键性能指标检校设备采集速度扫描范围扫描视场角相对精度室外位置精度定位方式徕卡 PeagsusBackpack VLP-1660 万点/s100 m360 30(15)23 cm5 cmGNSS+IMU+SLAM2.2.2检校流程(1)利用北京市标准长度基线场检校基柱B01B07，建立检校基柱高精度空间位置
15、基准Bi(Xi，Yi，Hi)(i=1，2，7)。(2)高精度全站仪(徕卡 TS09 全站仪，测距精度为 1.5 mm+2106L，测角精度为 1)依次架设在 BJ01-07 检校基柱上，依次观测 P01P25 立体黑白反射靶标，通过坐标传递，获取反射靶标特征点三维坐标标准值 Pi(Xi，Yi，Hi)(i=1，2，25)。(3)移动背包扫描系统完成初始化和自检，按照规划扫描路线进行闭环扫描，测量立体黑白反射靶标 P01P25，以获取扫描场景点云数据，数据解算提取反射靶标特征点三维坐标测量值 Pj(Xj，Yj，Hj)(j=1，2，25)。(4)通过坐标转换参数矩阵完成坐标系转换，将反射靶标测量值和
16、标准值统一至北京市地方坐标系下，对比移动背包扫描系统对反射靶的标测量值与标准值，再评定移动背包扫描系统平面测量精度和高程测量精度。2.2.3精度评定架设 GNSS 基站，将移动背包扫描测量系统初始化、静态观测和自校准，按照规划线路匀速移动扫描测量立体反射靶标，采集立体反射靶标三维点云数据(X，Y，H)。系统检校如图 5 所示。图 5北京市长度系统检校现场利用系统软件和 Cyclone、3D Reshaper 软件对4412023 年第 6 期崔磊，等:基于检定场的移动背包扫描测量系统精度评定点云数据进行处理，完成坐标系转换和点云数据匹配融合，比对移动背包扫描测量系统获得的坐标值(观测值)与标准值，利用贝塞尔公式评定移动背包扫描测量系统测量精度。精度评定分为平面点位精度和高程精度评定两个部分。平面点位精度评定公式为P=25i=1S2i(n 1)2(1)式中，S2i=(x2i+y2i)2;x 为 x 方向的观测值与标准值的差;y 为 y 方向的观测值与标准值的差。高程精度评定公式为H=25i=1H2i(n 1)2(2)式中，h 为扫描获得的高程值与标准值的差。系统测量值与标准值统计分析及系
