RTK、三维激光扫描、无人机倾斜摄影在大比例尺地形图测绘的对比分析

邵红伟 GIS前沿 2021-04-29

［摘要］ 本文研究RTK、三维激光扫描和无人机三种地形图测绘的方法。RTK采用传统单点测图的方法，三维激光扫描采用三维点云测绘图的方法，无人机采用三维实景模型测图的方法。研究结果表明：大场景的地形图测绘，采用RTK进行单点测图测量精度受地理环境因素影响较大、效率较低，但成本较低。采用三维激光扫描和无人机进行测图测量精度受地理环境因素影响较小、效较高，但成本较高。因此，针对不同要求的地形图测绘项目，选择合适的地形图测绘方法极为重要。

［关键词］ 实时动态测量（RTK）；三维激光扫描；无人机；地形图

引言

近年来，随着科学技术水平的不断提高，地形图测绘方法由传统的全站仪和RTK测量，发展到今天的三维激光扫描测量和无人机的测量，不仅采集方式发生变化，而且数据处理的方式也发生了较大的变化，相对于传统的测量节省了较大人力和物力。另外随着社会的发展三维激光扫描测量的搭载的设备又延伸到了车载和机载的三维激光扫描测量，采集方式更胜一筹。而无人机测量作为目前测绘行业最热门的测量方式，也存在较多问题待解决。本文针对这三种测绘方法进行了简单的对比分析。

01研究对象介绍

本文研究对象为江苏省师范大学泉山校区，该对象位于江苏省徐州市铜山区，地势较为平坦，周边有高山。黑色实线范围为研究对象的测区范围，测区范围内高层建筑物和树木较多，地物较为复杂。测区面积约为0.8km²，研究对象的测区范围如图１所示。

图１研究对象测区范围

02数据采集

本文数据的获取主要利用三种测量方法，依次是RTK测量方法、三维激光扫描方法和无人机测量方法。

2.1 RTK 数据采集

RTK 数据采集使用的是天宇Ｇ１RTK 测量系统，实时动态测量（RTK）精度为±（１０ｍｍ＋１ｍｍ／ｋｍ·ｄ），ｄ为被测点间距离，仪器内置倾斜补偿器，根据对中杆倾斜方向和角度自动校正坐标，测量方式为网络模式（网络基准站和移动站）。数据采集时，首先确定测区范围的地理概况，然后根据测区范围的现场情况进行人员和仪器安排，最后安排２组人员（每组２人）和２套仪器（每组 RTK 和全站仪各一套），分别从测区范围的两端向中间进行。当使用RTK测量完成后，由于RTK信号受高层建筑物和高大树木的影响无法再使用RTK进行测量，可使用全站仪进行辅助测量。该方法进行野外数据采集用时32ｈ。数据采集主要流程如图２所示。

图２ RTK数据获取流程

2.2 三维激光扫描数据采集

三维激光扫描数据采集使用的是RiegLVZ-1000三维激光扫描仪，扫描距离为1400m，扫描精度为５ｍｍ／１００ｍ（单点扫描），仪器内置双轴倾斜传感器，可自动校正扫描仪，激光扫描方式为脉冲式。数据采集时，首先确定测区范围的地理概况，然后根据测区范围的现场情况进行布设扫描测站和控制点，最终布设扫描测站44站，其中根据现场实际情况增加了５站，共扫描４９测站，采集特征控制点１６个。其中三维激光扫描安排一组人员，每组２人（每组一套仪器），该方法进行野外数据采集用时１２ｈ。三维激光扫描数据采集主要流程如图３所示。

图３三维激光扫描数据获取流程

2.3 无人机数据采集

无人机数据采集使用的设备是大疆 Phantom4RTK 智能型无人机，有效像素２０００万（总像素２０４８万）。定位精度为垂直（１．５ｃｍ＋１ｐｐｍ）和水平（１ｃｍ＋１ｐｐｍ），１ｐｐｍ为无人机每移动１ｋｍ误差增加１ｍｍ。内置图像补偿器，自动校正相机中心相对于机载Ｄ-RTK天线相位中心的位置。数据采集时，首先确定测区范围的地理概况，然后根据测区范围发现场情况进行航线的规划和像控点的布设，由于测区范围的地势环境较差，把测区范围分为２区，其中每个区规划５个架次，最终规划了10个架次，另外根据地势情况布设了25个像控点。数据采集方式为五个不同（一个垂直、四个倾斜）的角度采集影像，航向和旁向的重叠率为６０％，摄影航高为１００ｍ，根据地面分辨率计算ＧＳＤ约为３ｃｍ／ｐｉｘｅｌ如式（１）所示。该方法野外数据采集用时８ｈ。无人机数据采集主要流程如图４所示。

式（１）中：ＧＳＤ为地面分辨率，单位为ｍ；Ｈ为摄影航高，单位为ｍ；ｆ为镜头焦距，单位为ｍｍ；ａ为像元尺寸，单位为ｍｍ。

图４无人机数据获取流程

03数据处理

RTK、三维激光扫描和无人机数据处理使用的是同一台笔记本电脑，型号为戴尔外星人（Alien-ware）AREA－51Ｍ，处理器为i7-9700K（12MB缓存，睿频4.9GHz4），运行内存为64GB，显卡为NVID GEForceRTXTM20708GBGDDR6256bit，硬盘为1TPCIE 固态硬盘，显为操作系统为win10 64位统。

3.1 RTK数据处理

RTK 数据处理使用的是 CASS9.1软件，该软件主要是针对 RTK 和全站仪采集的野外数据进行地形图的绘制。由于该地形图是使用两种仪器进行测绘的，因此在绘制地形图之前需要将野外采集的数据进行合并和格式转换，转换成 CASS9.1软件可以导入的格式（点名，Ｘ，Ｙ，Ｚ转为点名，Ｙ，Ｘ，Ｚ）。然后导入到 CASS9.1软件中展野外测点点号，根据野外绘制的草图或者野外测点点名进行地形图的绘制，该方法测量精度受地理环境因素影响较大、效率较低。RTK 的数据处理主要流程如图５所示。

图５ RTK数据处理流程

3.2 地面三维激光扫描数据处理

三维激光扫描数据处理使用的是 Riscanpro1.6.4 和 EPS2016 三维测图软件，Riscanpro1.6.4软件主要是将野外采集的三维激光点云数据进行配准和去噪，EPS2016三维测图软件依据处理后的三维激光点云模型进行三维测图。首先数据处理前需要将三维激光点云进行格式转换，转换成可以导入到 Riscanpro1.6.4 软件的格式再进行下一步的处理。另外在三维激光点云数据配准之前需要将扫描的49个测站数据依次导入到 Riscanpro1.6.4软件中进行压缩，以便于快速的进行配准。配准是依据采集的控制点对扫描的数据进行坐标系的转换，使扫描坐标系转换成工程坐标系，坐标系的转换主要是计算七参数（平移参数３个、旋转参数３个和缩放参数１个）。然后将配准完的激光点云数据进行去噪，保留对三维测图有价值的三维激光点云数据。最后将处理后的测区范围导入到 EPS2016 三维测图软件中进行地形图的绘制，该方法测量精度受地理环境影响因素较小、效率较高。三维激光扫描仪数据处理的主要流程如图６所示。

图６三维激光扫描数据处理流程

3.3 无人机数据处理

无人机数据处理使用的是Smart3D4.4.9 和 EPS2016三维测图软件，Smart3D软件是将采集的无人机影像数据进行测区正射影像和三维实景模型的构建，EPS2016三维测图软件是依据测区正射影像和三维实景模型进行三维测图。

首先在进行无人机影像处理前需要对野外采集的影像数据进行筛选，剔除曝光过度、模糊和重复的影像，否则会导致Smart3D软件处理过程中失败。然后将采集的像控点刺在无人机影像上，进行空中三角测量的处理，由于大疆Phantom4RTK 采集的pos数据自动写入到影像，因此在进行空中三角测量处理时，不必再导入pos数据，刺完像控点后进行空中三角测量处理即可。另外根据工程需要，在Smart3D软件中设置好参数后，软件会自动的构建测区的正射影像和三维实景模型。最后在EPS2016三维测图软件中根据二维正射影像和三维实景模型实现二三维联动的进行地形图的绘制，该方法测量精度受地理环境影响因素较小、效率较高。无人机数据处理的主要流程如图７所示。

图７无人机数据处理流程

04综合分析

通过对表１分析得到：

表１地形图测绘不同方法对比表

数据量和所占内存

这三种方法进行地形图测绘采集的数据量和所占内存相差较大。RTK采集的数据量和所占内存相对于三维激光扫描采集的数据量和所占内存少（小）的可以忽略不计，但是RTK采集的数据都是特征数据，而三维激光扫描和无人机采集的数据存在大量的冗余和噪点，必须予以剔除后方可使用，处理过程较为复杂，并且对存储设备内存要求较高。

内业和外业用时

这三种方法进行地形图测绘内外业用时相差较大，RTK外业用时长，但是内业用时短。而三维激光扫描和无人机测绘外业用时短，但是内业用时较长。并且内外业总用时也较短。再者RTK 测量受地势和信号影响较大，而三维激光扫描和无人机测量相对于 RTK 测量来说受地势和信号影响较小。

自动化和设备成本

这三种方法进行地形图测绘自动化程度和设备的成本相差较大， RTK测量自动化程度低，但是设备成本较低，一般大中小型的测绘单位都有该设备。三维激光扫描测量自动化程度较高，但是相对于无人机测量来说还是较低，无人机测量的自动化程度在这三种方法中尤其突出。另外三维激光扫描设备价格昂贵，一般中小型的测绘单位是负担不起的，无人机测量设备价格和RTK 测量设备价格相仿，可根据工程需要选择合适的测绘方法。

05结束语

通过对这几种大比例尺地形图测绘方法的对比分析发现，有几个需要进一步研究解决的问题：