激光点云快速测图系统技术规范

1激光点云快速测图系统技术规范本文件规定了激光点云快速测图系统技术规范的术语和定义、缩略语、总体要求、系统类别及作业要求、数据采集、数据预处理、成果制作、质量控制与成果归、档检验方法与规则、标志、标签和随行文件。本文件适用于激光点云快速测图系统的技术要求和作业规范。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB50026工程测量规范GB50104建筑制图标准GB7247.1激光产品的安全第1部分：设备分类、要求GB/T13384机电产品包装通用技术条件GB/T13923基础地理信息要素分类与代码GB/T13989国家基本比例尺地形图分幅和编号GB/T18316数宁测绘成果质量检查与验收GB/T19710地理信息元数据GB/T24356测绘成果质量检查与验收CH1016测绘作业人员安全生产规范CH/T9008.1基础地理信息数字成果1:500、1:1000、1:2000数字线划图CH/T9008.2基础地理信息数字成果1:500、1:1000、1:2000数字高程模型CJJ/T8城市测量规范CJJ/T157城市三维建模技术规范3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1点云pointclouds同一坐标系下以离散、不规则方式分布在三维空间中，表达目标空间分布和目标表面特性的海量点的集合。3.2激光点云LIDARpointclouds通过激光测量方式获取三维空间中目标表面特征的海量点的集合。三维激光点云数据中的点包括三维坐标、颜色信息和反射强度等信息。3.3彩色点云pointcloudwithRGBinformation具有RGB标准颜色信息的点云。3.42点间距distancebetweenpoints点云中相邻两点之间的空间距离。3.5特征点featurepoints在点云中便于识别选取的地物角点、线状地物交叉点等。3.6点云数据配准pointcloudregistration把不同测站点获取的点云数据变换到同一坐标系的过程。3.7标靶target用一定材质制作的具有规则几何形状的标志，该类标志在点云中能够很好地被识别和量测，从而可以用于点云数据质量检查及点云配准等工作。3.8降噪removenoise去除点云中由于外界因素（如光线、震动、噪声等）以及三维激光扫描仪本身的因素造成的，不可避免的部分点的过程。3.9抽稀dilution在保证矢量曲线形状不变的情况下，最大限度地减少重复数据点个数。3.10纹理映射texturemapping将纹理像素信息映射到三维模型上的过程。4缩略语下列缩略语适用于本文件。CGCS2000：2000中国大地坐标系（ChinaGeodeticCoordinateSystem2000）DEM：数字高程模型（DigitalElevationModel）DLG：数字线划图（DigitalLineGraphic）GNSS：全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem）RTK：实时动态差分（Real-timekinematic）TDOM：真正射影像图（TrueDigitalOrthophotoMap）5总体要求5.1空间参考系5.1.1平面坐标系三维激光扫描作业的平面坐标系宜采用CGCS2000，采用地方坐标系时应与CGCS2000建立联系。5.1.2高程基准3三维激光扫描作业的高程基准宜采用1985国家高程基准，采用地方高程基准时应与1985国家高程基准建立联系。5.1.3自定义参考系根据需要可自定义平面坐标系和高程基准。5.2时间标准三维激光扫描作业的日期应采用公元纪年，时间应采用北京时间。5.3点云精度及技术指标三维激光扫描点云精度及技术指标应符合表1的要求，有特殊要求的应另行设计。表1激光扫描点云精度和技术指标///5.4激光放射安全防护等级激光扫描作业时的辐射安全防护等级应符合GB7247.1中I类或Ⅱ类激光的要求。6系统类别及作业要求6.1系统类别激光点云快速测图系统主要有履带车式、手推车式、摩托车车载式、包式，无人机载式五个类型的测图系统，系统搭载Windows81withBing和安卓双操作系统。系统图示见附录A。6.2系统参数6.2.1履带车式应具备基础越野能力，其扭矩不低于60NM。车体应配备遥控装置，遥控距离应不低于300m。摄像头的视场角在水平方向应不低于360°,垂直方向应不低于270度°,测距范围不低于点云测图精度误差应在2cm之内，适用于隧道、室内、树林等卫星信号遮挡区域或封闭空间的高精度测绘量。履带车式测图系统的技术参数，以车体尺寸600mm（长）×440mm（下底宽）×170mm（高）为标准，详见表2。表2履带车式快速测图系统的技术参数m°°°°4表2履带车式快速测图系统的技术参数（续） °℃6.2.2手推车式摄像头的视场角在水平方向应不低于360°,垂直方向应不低于270°,测距范围不低于50m。系统应配备全景相机，点云测图精度误差应在5cm之内，适用于大型场馆、地下车库等封闭空间的大范围测绘。手推车式测图系统的技术参数详见表3。表3手推车式快速测图系统的技术参数m°°°°-°℃6.2.3摩托车车载式数据采集最大车速应不高于80km/h。摄像头的视场角在水平方向应不低于30°,垂直方向应不低于270°,测距范围不低于100m。系统可选配备高精度GNSS天线，点云测图精度误差应在3cm之内，适用于公路大范围带状地形测绘。摩托车车载式测图系统的技术参数详见表4。表4摩托车车载式快速测图系统的技术参数线m°°°°//°℃5表4摩托车车载式快速测图系统的技术参数（续）6.2.4包式背包重量包含电池在内应不超过10kg。摄像头的视场角在水平方向应不低于270°,垂直方向应不低于30°,测距范围不低于120m。系统应配备全景相机、高精度GNSS天线，点云测图精度误差应在3cm之内。包式测图系统的技术参数详见表5。表5包式快速测图系统的技术参数线m°°°°//°℃6.2.5无人机载式系统应配备多线3D激光扫描仪，保证全方位体力测图。系统应配备高精度GNSS天线，点云测图精度应在5cm之内。无人机单程飞行距离应不小于1800m。无人机载式测图系统的技术参数，以起落架尺寸460mm（长）×450mm（下底宽）×330mm（高）为标准，详见表6。表6无人机载式快速测图系统的技术参数级m线m°°°°6表6无人机载式快速测图系统的技术参数（续）/包括用于GPS、GLONASS，Galileo/°℃6.3性能要求激光点云快速测图系统的性能应符合以下要求：a)支持一键启动；b)安装操作方便简单；c)数据获取速度快、精度高；d)能够准确的记录姿态和位置；e)机载激光扫描测绘系统应有工作状态指示灯；f)自动采集三维激光与影像数据；g)可搭载于汽车、无人机、有人机或其他移动载体上；h)数据处理采集软件功能强大，能够实时显示影像数据、监测雷达系统的运行状态、自动生成点云数据。6.4作业前的准备与设计6.4.1资料收集及分析作业前应收集下列资料，并进行适用性分析：a)测区以及周边的控制成果资料；b)测区1:500～1:2000比例尺地形图、数字高程模型、数字正射影像图、设计图、竣工图等；c)测区其他相关资料。6.4.2现场踏勘现场踏勘应符合下列规定：a)实地了解作业区域的自然地理、人文及交通状况；b)核对已有资料的真实性和适用性；c)根据测区情况选择控制网和扫描站的布设方式。6.4.3仪器准备与检查仪器准备仪器应符合下列规定：a)仪器设备应在检校合格有效期内，采用的软件应经过测试并在技术管理部门备案；b)应根据项目要求按表1选择相应的作业等级，激光扫描仪器的主要技术要求应符合表7的要求；表7三维激光扫描仪器主要技术要求c)根据项目的规模和工期要求，可选择符合要求的单一类型三维激光扫描仪，也可选择符合要求的多种类型三维扫描仪混合使用，但应顾及后续数据处理软件的兼容性。7扫描仪检查.1维激光扫描仪各部件及附件应齐全、匹配，仪器各个部件应连接紧密且稳定，具有对中功能的扫描仪应进行对中功能检查。.2扫描仪、同轴相机通电后应能正常获取数据，电源容量和内存容量应满足作业时间需求。.3外置同轴相机应进行相机主距、像主点、畸变参数、相对于扫描仪的安装姿态参数的标定。6.4.4测区自然地理概况作业前应确认与设计方案或作业有关的测区自然地理状况，内容包括但不限于作业区地形概况、地貌特征、困难程度、气候状况、交通状况，必要时收集测区的工程地质与水文地质资料。6.4.5作业人员配置作业员应经过专业的技术培训，培训合格后方能参与作业。扫描作业时，1台设备应配备不少于3名作业员。6.4.6安全保障措施扫描作业时安全保障应满足下列要求：a)仪器长时间暴露于太阳强光照射环境中时，应为仪器遮阳；b)高空作业时，应保证仪器、人身安全；c)仪器作业时，应避免人眼直视激光发射头；d)作业员人身安全还应符合CH1016的规定。7数据采集7.1采集流程数据采集流程包括控制测量、扫描站布测、标靶布测、设站扫描、纹理图像采集、外业数据检查、数据导出备份，流程图见图1。图1数据采集流程图87.2数据要求7.2.1数据格式影像数据宜采用TIFF或JPEG格式激光点云数据宜采用LAS格式真彩色点云数据还可采用文本格式,应包括东、北、高、红、绿、蓝等信息。7.2.2储存单元点云数据应分块存储,用于地形测量的点云数据分块宜按GB/T13989地形图分幅要求进行数据分块和编号，非地形测量的可结合待测目标性质和使用目的确定。7.2.3元数据元数据应符合GB/T19710的相关规定，宜采用图和文字结合的方式表达。元数据应包括下列内容数据：a)基本描述信息：包括坐标系、点云密度、范围、采集时间等；b)数据处理信息：包括采集单位处理单位、产权单位，数据处理方法等；c)数据存储信息：包括存储格式、有效期等。7.2.4数据采集方案与闭环控制设计数据获取时，应事先规划好数据采集路线，并做好闭环控制设计。数据采集路线和闭环控制设计应满足如下要求：a)数据采集路线应完全覆盖作业区域；b)整条采集路线宜设置一个大闭环,结束位置选择在起始数据的采集位置；c)采集里程超过200m时，应设置1个及以上闭环；d)采集面积超过2000m2时，应设置1个及以上闭环；e)多层空间每一层应设置1个及以上闭环；f)层间转换应设置1个及以上闭环；g)闭环宜选择相对规则空间，面积在10m2以上。7.3控制测量7.3.1控制网布设控制网应整体设计，分级布设。控制网应根据测区内已知控制点的分布、地形地貌、扫描目标物的分布和精度要求，选定控制网等级并设计控制网的网形。控制网布设应满足7.4扫描站布测和7.5标靶布测的需求。控制点宜选在主要扫描目标物附近且视野开阔的地方。控制网应全面控制扫描区域，在分区进行扫描作业时，还应对各区的点云数据配准起到联系和控制误差传递的作用。小区域或单体目标物扫描，通过标靶进行闭合时可不布设控制网，但扫描成果应与已有空间参考系建立联系。7.3.2控制网观测一等点云精度的控制测量应单独设计，其他等级应按照表8规定选择控制测量观测方法：表8控制测量观测技术要求导线测量、GNSS测量和水准测量作业应符合CJJ/T8、GB50026中的规定。97.4扫描站布测7.4.1扫描站布设扫描站应设置在视野开阔、地面稳定的安全区域。扫描站扫描范围应覆盖整个扫描目标物，均匀布设，且设站数目尽量减少。目标物结构复杂、通视困难或线路有拐角的情况应适当增加扫描站必要时可搭设平台架设扫描站。7.4.2扫描站坐标观测需要观测扫描站坐标时，应符合表8同等级控制测量的观测要求。7.5标靶布测7.5.1标靶布设标靶应在扫描范围内均匀布置且高低错落。每一扫描站的标靶个数应不少于4个，相邻两扫描站的公共标靶个数应不少于3个。明显特征点可作为标靶使用。7.5.2标靶测量在需要测量标靶三维坐标时，应在同一控制点上观测两测回，或在不同控制点上施测两次，平面、高程较差应不大于2cm，取平均值作为最终成果。按四等点云精度作业时，标靶平面测量可采用RTK进行测量，并应符合相应等级技术要求7.6点云数据采集7.6.1作业前应将仪器放置在观测环境中30分钟以上。7.6.2扫描作业时，应符合下列规定：a)按照表1设置点间距或采集分辨率，按照7.3.1节的要求布设扫描站点，并应满足相邻扫描站间有效点云的重叠度不低于30%，困难区域不低于15%的要求。b)应根据项目名称、扫描日期、扫描站号等信息命名扫描站点，存储扫描数据，并在大比例地形图、平面图或草图上标注扫描站位置。c)设有标靶的扫描站应进行标靶的识别与精确扫描。d)扫描过程中出现断电、死机、仪器位置变动等异常情况时，应初始化扫描仪，重新扫描。7.6.3扫描作业结束后，应将扫描数据导入电脑，检查点云数据覆盖范围完整性、标靶数据完整性和可用性。对缺失和异常数据，应及时补扫。7.7纹理图像采集7.7.1纹理图像投影像元应符合表9的规定：表9纹理投影像元技术规定7.7.2图像的拍摄角度应保持镜头正对目标面，无法正面拍摄全景时，应先拍摄部分全景，再逐个正对拍摄，后期再合成。7.7.3宜选择光线较为柔和、均匀的天气进行拍摄，避免逆光拍摄，能见度过低或光线过暗时不宜拍摄。7.7.4相邻两幅图像的重叠度应不低于30%。7.7.5采集图像时应绘制图像采集点分布示意图。7.7.6纹理颜色有特殊要求时可使用色卡配合拍摄。8数据预处理8.1预处理流程数据预处理流程包括点云数据配准、坐标系转换、降噪与抽稀、图像数据处理、彩色点云制作。8.2点云配准根据不同的作业方法，可选择控制点、标靶、特征地物点进行点云数据配准，并应符合下列规定：a)当使用标靶、特征地物点进行点云数据配准时，应采用不少于3个同名点建立转换矩阵进行点云配准，配准后同名点的内符合精度应不低于表1中特征点间距中误差的1/2；b)当使用控制点进行点云数据配准时，二等及以下应利用控制点直接获取点云的坐标进行配准。8.3坐标系转换坐标系转换应符合下列规定：a)应采用不少于3个分布均匀的同名点，通过七参数模型进行坐标系转换，转换时宜固定比例因子，转换残差应小于表1中点位相对于临近控制点中误差的1/2；b)小范围或单一扫描目标物可采用一个已知点和一个已知方位进行坐标系转换。8.4降噪与抽稀降噪与抽稀应符合下列规定：a)点云数据中存在脱离扫描目标物的异常点、孤立点时，应采用滤波或人机交互进行降噪处理；b)点云数据抽稀应不影响目标物特征识别与提取，且抽稀后点间距应满足表1的要求。8.5图像数据处理图像数据处理应包括图像色彩调整、变形纠正、图像配准、格式转换，并应符合下列规定：a)图像出现曝光过度、曝光不足、阴影、相邻图像间的色彩差异等现象时，应进行色彩调整保持图像反差适中、色彩一致；b)使用色卡时，应参照色卡进行色彩调整；c)因视角或镜头畸变引起变形影响使用时，应对图像的变形部分作纠正处理；d)图像配准时，应保证图像细节表现清晰，无配准镶嵌缝隙；e)宜将处理后的图像转换为通用的文件格式；f)处理后的图像应与实地情况相符，真实反映实际材质的图案、质感、颜色及透明度。8.6彩色点云制作选择点云对应的图像数据，根据相机与扫描仪的姿态参数制作彩色点云，制作完成的彩色点云在图像重叠区域应无明显色彩差异。9成果制作9.1三维模型构建9.1.1制作流程三维模型制作流程包括点云分割、模型制作、纹理映射。9.1.2制作要求9.1.3三维模型分为规则模型和不规则模型。9.1.4点云可根据数据规模、软硬件性能、精度要求等因素进行分割。9.1.5规则模型制作应符合下列规定：a)可利用点云数据或已测平面图、立面图、剖面图进行交互式建模；b)对于球面、弧面、柱面、平面等规则几何体应根据点云数据拟合模型；c)模型制作应符合CJJ/T157的要求。9.1.6不规则模型制作应符合下列规定：a)通过点云构建三角网模型，并应采用孔填充、边修补、简化、细化、光滑处理等方法优化三角网模型；b)表面为光滑曲面的可采用曲面片划分、轮廓线探测编辑、曲面拟合等方法生成曲面模型。；9.1.7纹理映射可采用在模型和图像上选定同名点对的方式进行，并应符合下列规定：a)应选择位置明显、特征突出、分布均匀的同名点；b)同名点应不少于4对；c)各同名点应不在同一条直线上或近似同一平面内；d)纹理映射后，图像与模型应无明显偏差。9.2数字高程模型制作9.2.1制作流程DEM制作应包括地面点提取、特征点线提取、三角网构建、DEM内插、DEM数据编辑、DEM数据接边、DEM数据镶嵌和裁切、数据存储等。9.2.2制作要求DEM的制作应符合下列规定：a)对落于地面的点，可采用滤波或人机交互的方式提取；b)对地表点云缺失的区域，依据实际情况宜采用量取点云距地面的高度计算地面点，也可采用内插方式，若缺失区域仍不满足制作要求，应进行补测；c)根据成图比例尺，利用地面点云和图像数据进行特征点线提取；d)DEM制作及精度要求应符合CH/T9008.2、CJJ/T8的相关规定。9.3数字线划图制作9.3.1制作流程DLG制作应包括点云分类、特征点线提取、等高线绘制、其他要素采集和图面整饰等。9.3.2制作要求依据点云和图像数据情况，可采用分类拟合或人机交互方式提取特征点线制作DLG，并应符合下列规定：a)DLG宜选择1:500及以上大比例尺；b)要素的分类与代码应符合GB/T13923的要求；c)管线井、独立树、电线杆等有规则形状的独立地物，宜采用拟合中心的方法进行采集；d)电力线、道路、房屋、河流、土坎等线状地物，宜采用拟合线的方法进行采集；e)根据成图比例尺和地形类别，或项目要求确定等高距，利用地面点云提取地面高程、内插生成等高线；f)对内业无法判定的地物应进行外业核查和补测；g)图幅整饰应符合CH/T9008.1的规定。9.4真正射影像图制作9.4.1制作流程TDOM制作流程包括模型投影或点云投影、图像输出、图像镶嵌、图像裁切。9.4.2制作要求应采用经纹理映射的三维模型或彩色点云进行TDOM制作，并符合下列规定：a)TDOM比例尺宜选择1:10、1:20、1:50、1:100；b)制作完成的TDOM空间分辨率不应大于图上0.1mm；c)对于点云完整、无缺失的区域，可采用彩色点云直接投影生成TDOM；d)图像输出时应考虑成果的比例尺，TDOM输出打印分辨率不应小于300dpi；e)TDOM宜以TIFF格式存储。9.5平面图、立面图和剖面图制作9.5.1制作流程平面图、立面图、剖面图可利用点云、三维模型或TDOM进行制作，流程应包括数据投影、矢量数据采集、图形编辑和图形整饰。9.5.2制作要求平面图、立面图、剖面图制作应符合下列规定：a)比例尺宜选择1:10、1:20、1:50、1:100；b)采用的TDOM比例尺不应小于成果比例尺；c)根据选用的投影面进行点云投影；d)点云可根据软硬件性能、精度要求和数据规模等进行分割；e)根据投影后的点云绘制特征线；f)点云部分缺失无法准确获取结构尺寸时，可根据露明部分尺寸推算隐蔽尺寸，推算结果应特别说明；g)比例尺、图示符号、注记、整饰等应符合GB50104相关规定；h)结构尺寸应实地检核，相对误差应不大于1/200。9.6表面积和体积计算9.6.1计算流程表面积和体积计算流程包括点云提取、三角网构建、表面积和体积计算。9.6.2计算要求计算可采用构三角网或方格网方法进行，并应符合下列规定：a)用于计算的点云应能完整反映对象特征、分布均匀；b)根据工程项目的要求，设定用于计算的点云格网大小，并应符合表10的规定；表10格网划分技术要求及使用范围注:三角网边长为Dc)应进行两次独立计算，相对较差应不大于3%，取均值作为最终结果。10质量控制与成果归档10.1质量控制要求质量控制应符合下列规定：a)质量检查验收应符合GB/T24356、GB/T18316的规定，且满足技术设计书的要求；b)三维激光扫描作业成果检查验收应进行二级检查、一级验收。10.2质量检查内容10.2.1点云数据点云数据质量检查的内容应包括：a)点云重叠度、完整性；b)点云密度；c)点云噪声；d)点云相对精度、绝对精度；e)点云颜色信息。10.2.2三维模型三维模型质量检查内容包括：a)模型与点云数据符合性；b)模型与点云数据符合性；c)模型细节表达合理性；d)模型表面完整性；e)模型纹理；f)CJJ/T157规定的其他三维模型质量检查内容10.2.3数字高程模型DEM质量检查的内容应包括：a)DEM格网与点云数据符合性；b)CH/T9008.2规定的DEM其他质量检查内容。10.2.4数字线划图DLG质量检查的内容包括：a)DLG特征点、线与点云数据符合性;b)DLG高程点与点云数据一致性;c)CH/T9008.1规定的DLG其他质量检查内容10.2.5真正射影像图TDOM质检检查内容包括：a)TDOM与点云数据或三维模型的符合性；b)坐标系统、高程基准和投影参数；c)平面绝对位置中误差；d)数据格式、数据组织和文件命名、原始数据使用和影像分辨率等正确性；e)影像色调和反差、清晰度和纹理表现、拼接和接边质量、外观质量和影像色彩等；f)CJJ/T8规定的TDOM其他质量检查内容。10.2.6平面图、立体图和剖面图平面图、立面图、剖面图的质量检查内容包括：a)图轮廓线与点云数据符合性；b)结构完整性；c)构件搭接关系正确性；d)文字描述、尺寸标注齐全；e)图例和比例尺；f)图面整洁度。10.2.7表面积、体积计算表面积、体积计算质量检查的内容包括：a)三角网或格网数据与点云数据符合性；b)计算要素的完整性；c)成果报表的正确性。10.3成果归档10.3.1归档要求成果整理应符合下列规定：a)外业观测、数据处理记录规范、齐全；b)检查验收记录完整、各项指标明确；c)技术文档齐全、完整，内容真实，表述准确；d)各项作业记录、技术资料和成果应签署完整。10.3.2归档内容成果归档资料应包括以下内容：a)成果清单；b)点云数据、DEM、DLG、三维模型、TDOM和平面图、立面图、剖面图及表面积、体积计算成果；c)控制测量与计算资料；d)标靶布