宋楊

(廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州 510060)

1 引言

移動(dòng)激光道路測(cè)量系統(tǒng)(MMS)代表著當(dāng)今世界最前沿的測(cè)繪科技，它是一種基于飛機(jī)、飛艇、火車、汽車等移動(dòng)載體的快速新型激光掃描測(cè)量系統(tǒng)。該技術(shù)通常以車輛為移動(dòng)載體，將激光設(shè)備安置在車頂、在垂直于車輛行駛方向作二維掃描，通過(guò)汽車行駛方向形成的運(yùn)動(dòng)維，構(gòu)成三維掃描系統(tǒng)。

目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的移動(dòng)激光測(cè)量產(chǎn)品都是使用二維激光掃描傳感器進(jìn)行系統(tǒng)集成，如加拿大Optech公司的LYNX移動(dòng)激光測(cè)量車、美國(guó)Applanix公司的LandMark、奧地利 Riegl公司的 VMAX－250、英國(guó) 3D Laser Mapping公司的StreetMapper360、美國(guó)MDL公司的Dynascan、日本TOPCON公司的IP－S2、諾基亞所屬公司 NAVTEQ、SITECO公司的 Road Scanner以及Google使用的街景采集車。這些產(chǎn)品主要分為高端測(cè)量型和低端街景型兩大類，高端測(cè)量型產(chǎn)品成本昂貴;低端街景型產(chǎn)品測(cè)量距離近，測(cè)量精度低，對(duì)于某些領(lǐng)域存在的高精度測(cè)量及高精細(xì)、高效率、有限成本的工程任務(wù)需求，上述兩類產(chǎn)品往往很難同時(shí)滿足。

針對(duì)移動(dòng)激光道路測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)品研制與應(yīng)用的現(xiàn)狀，廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院于2012年聯(lián)合首都師范大學(xué)在國(guó)內(nèi)率先提出、并實(shí)現(xiàn)了集成了RIEGL VZ－400激光掃描儀及Ladybug3全景相機(jī)的“多傳感器城市實(shí)景移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)”。系統(tǒng)總體創(chuàng)新思路是把廣州市規(guī)劃院于2010年采購(gòu)引進(jìn)的、原本僅用于三維定點(diǎn)激光掃描的奧地利RIEGL VZ－400激光掃描儀加工、改造成可用于移動(dòng)掃描模式，與Ladybug3全景相機(jī)、慣性導(dǎo)航裝置、GPS集成，并開(kāi)發(fā)出多源信息復(fù)合處理的軟件，使之構(gòu)成綜合、完善、靈活適用于不同載體平臺(tái)一體化激光測(cè)量與可量測(cè)城市實(shí)景的工程實(shí)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用需求的各項(xiàng)基本功能。

2 系統(tǒng)性能指標(biāo)

“基于RIEGL VZ－400及Ladybug3全景相機(jī)的移動(dòng)激光道路測(cè)量系統(tǒng)”主要由慣性導(dǎo)航裝置IMU+POS、GPS、RIEGL VZ－400激光掃描儀、Ladybug3全景相機(jī)、里程計(jì)、工控機(jī)(筆記本)及相關(guān)后處理軟件組成，為空間數(shù)據(jù)獲取提供一個(gè)移動(dòng)三維信息獲取與處理平臺(tái)，達(dá)到機(jī)動(dòng)、靈活、高效率、高精度等特點(diǎn)，系統(tǒng)整體外觀如圖1所示。系統(tǒng)搭載的主要傳感器的性能指標(biāo)如下:

圖1 基于RIEGL VZ－400及Ladybug3全景相機(jī)的移動(dòng)激光道路測(cè)量系統(tǒng)

2.1 激光機(jī)械光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

·掃描視場(chǎng):100°

·激光發(fā)射頻率:300 kHz

·激光掃描頻率:3 scan/sec～120 scan/sec

·光束發(fā)散角:0.3 mrad

·激光等級(jí):1級(jí)安全

·工作距離:2 m～600 m

·回波采樣方式:多回波探測(cè)(4回波)

·行車方向掃描點(diǎn)間距:20 cm(60 km/hr)

·100米外光斑大小為:3 cm

·回波灰度等級(jí):10 bits

·測(cè)距精度:8 mm

·重復(fù)測(cè)量精度:5 mm

·測(cè)角精度:0．1 mRad

·掃描方向掃描點(diǎn)間距:15 cm

2.2 POS組合導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

GPS信號(hào)良好情況下，事后差分處理達(dá)到水平:1 cm+1 ppm，垂直:2 cm+1 ppm，航向角優(yōu)于 0.1°，水平姿態(tài)角優(yōu)于0.05°。輸出頻率大于等于 100 Hz，時(shí)間同步精度低于 1 ms，初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)間 15 min以內(nèi)，里程計(jì)分辨率 10 cm。

2.3 系統(tǒng)整體測(cè)量指標(biāo)及精度

系統(tǒng)總體定位精度:可達(dá)到國(guó)家測(cè)繪地理信息局與行業(yè)管理司于2013年3月9日起草的《地面移動(dòng)測(cè)量專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)移動(dòng)道路測(cè)量甲級(jí)精度要求:GPS信號(hào)良好情況下，點(diǎn)云的絕對(duì)定位精度優(yōu)于 0.5 m。制定了移動(dòng)道路測(cè)量系統(tǒng)檢校場(chǎng)建立及精度測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)化工作機(jī)制，在廣州市番禺區(qū)生物島建立了永久性的系統(tǒng)檢校場(chǎng)，并通過(guò)了由廣東省測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心組織開(kāi)展的精度測(cè)試。

2.4 其他

系統(tǒng)整體為剛性連接，每次安裝無(wú)需重新檢校，使用導(dǎo)軌抽拉式安裝，簡(jiǎn)單方便高效，安裝時(shí)間可控制在2 min～3 min內(nèi)，全景相機(jī)的支架可伸縮，整體可不拆卸直接安置于普通SUV車體后備箱，如圖2所示，外觀采用流線型金屬不銹鋼殼體包裝，簡(jiǎn)單大方，實(shí)現(xiàn)美觀、緊湊、可靠的結(jié)構(gòu)集成。

圖2 系統(tǒng)可整體直接安置于普通SUV車體后備箱

3 系統(tǒng)功能及特色

3.1 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)是多傳感器的集成的綜合系統(tǒng)，其主要功能包括:

(1)以正常車速沿著道路獲取目標(biāo)側(cè)面100°的空間信息;

(2)提供激光點(diǎn)云的快速解算，完成慣導(dǎo)數(shù)據(jù)與激光數(shù)據(jù)的融合，得到高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，量測(cè)的絕對(duì)精度優(yōu)于國(guó)家測(cè)繪地理信息局與行業(yè)管理司提出的《地面移動(dòng)測(cè)量專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》要求;

(3)提供360°全景影像的拼接、配準(zhǔn)，提供帶有地理參考系的可量測(cè)全景影像。

3.2 系統(tǒng)特色

(1)充分利用廣州市城市規(guī)劃院已有的RIEGL VZ－400激光掃描儀，將定點(diǎn)激光和車載激光互換使用，節(jié)省成本將近150萬(wàn)元;

(2)將水平方向可360°旋轉(zhuǎn)的激光用于二維掃描，在車行時(shí)可自由設(shè)置掃描旋轉(zhuǎn)角，有利于深入掃描胡同內(nèi)側(cè)，減少樹(shù)木遮擋，實(shí)現(xiàn)國(guó)外兩臺(tái)激光才能達(dá)到的效果;

(3)常用車載激光相對(duì)精度為 1 cm～2 cm，RIEGL VZ－400相對(duì)精度可達(dá)毫米級(jí)，適合于對(duì)相對(duì)測(cè)量精度要求較高的項(xiàng)目，比如道路平整度、車轍等的測(cè)量;

(4)作業(yè)距離遠(yuǎn)，在長(zhǎng)距離模式下可達(dá) 600 m，高速模式下可達(dá) 350 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有車載激光，在高速公路改擴(kuò)建的項(xiàng)目中，在精度上可高于機(jī)載激光，在作用范圍上，可替代機(jī)載激光的作用。

(5)全套設(shè)備總體重量小于 25 kg，方便搬運(yùn)及裝載在其他輕便載體上。

4 系統(tǒng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作流程

近年來(lái)，廣州市規(guī)劃院成功地利用MMS技術(shù)完成了多個(gè)數(shù)字城市管理、實(shí)景影像采集、市政部件調(diào)查、街區(qū)立面整治等方面的項(xiàng)目，取得了良好的社會(huì)效應(yīng)，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在華南地區(qū)產(chǎn)生了積極的示范效應(yīng)。在不斷的實(shí)踐與探索，廣州市規(guī)劃院總結(jié)了一套切實(shí)可行的移動(dòng)道路測(cè)量系統(tǒng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的工作流程。

4.1 系統(tǒng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集

MMS系統(tǒng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作流程如圖3所示，主要過(guò)程如下:

(1)開(kāi)啟基站，記錄基站信息。

(2)設(shè)備安置、接線、安全確認(rèn)。

圖3 MMS系統(tǒng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作流程

(3)開(kāi)啟硬件系統(tǒng):按照系統(tǒng)硬件操作流程依次開(kāi)啟硬件設(shè)備，并設(shè)置好硬件的狀態(tài)參數(shù)。

(4)GPS接收機(jī):打開(kāi)GPS接收機(jī)和連接的計(jì)算機(jī)，檢查設(shè)置參數(shù)是否正確。

(5)慣導(dǎo)設(shè)備:確認(rèn)慣導(dǎo)初始參數(shù)設(shè)置的正確性，打開(kāi)慣導(dǎo)狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面。

(6)全景相機(jī):開(kāi)啟全景相機(jī)，確定正常工作狀態(tài)，設(shè)置當(dāng)前工作的全景相機(jī)觸發(fā)模式，設(shè)置全景影像存儲(chǔ)路徑。

(7)激光掃描儀:開(kāi)啟激光掃描儀，確定正常工作狀態(tài)，設(shè)置當(dāng)前作業(yè)的掃描模式，掃描角度、掃描速度等參數(shù)，設(shè)置激光掃描數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑。

(8)系統(tǒng)軟件啟動(dòng):在硬件系統(tǒng)全部正常啟動(dòng)后，啟動(dòng)系統(tǒng)軟件并對(duì)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，觸發(fā)方式一般設(shè)置為每隔 5 m觸發(fā)一次。每個(gè)工程應(yīng)設(shè)定起點(diǎn)和終點(diǎn)，一般情況下，一個(gè)工程的終點(diǎn)與下一個(gè)工程的起點(diǎn)應(yīng)該重合。

(9)數(shù)據(jù)采集:測(cè)量車進(jìn)入測(cè)區(qū)，司機(jī)按照計(jì)劃路線和作業(yè)組長(zhǎng)要求行駛，作業(yè)人員按照規(guī)定項(xiàng)目?jī)?nèi)容對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并對(duì)影像進(jìn)行保存。

在采集作業(yè)中，對(duì)出現(xiàn)影響數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)的完整性等問(wèn)題及時(shí)給予記錄，并填寫《外業(yè)補(bǔ)測(cè)記錄表》。

(10)采集作業(yè)完成后，將采集數(shù)據(jù)拷貝至外掛數(shù)據(jù)專用移動(dòng)硬盤，依次關(guān)閉各硬件設(shè)備，最后關(guān)閉系統(tǒng)電源。

4.2 系統(tǒng)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)主要處理包括GPS/IMU集成處理、影像地理參考、全景影像與激光點(diǎn)云的融合配準(zhǔn)、屬性采集、矢量編輯及標(biāo)準(zhǔn)空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，具體流程如圖4所示。

圖4 MMS系統(tǒng)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理集工作流程

(1)GPS數(shù)據(jù)的差分后處理

將移動(dòng)站的GPS/IMU融合的數(shù)據(jù)與基站采集的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行差分后處理，消去系統(tǒng)和環(huán)境誤差，提高移動(dòng)站GPS測(cè)量數(shù)據(jù)的精度。

(2)全景影像數(shù)據(jù)后處理

影像數(shù)據(jù)后處理是指將采集的360°全景相機(jī)影像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)和GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)、處理、優(yōu)化，生成入庫(kù)文件。

(3)全景影像與激光點(diǎn)云的融合配準(zhǔn)

傳統(tǒng)全景影像是無(wú)空間坐標(biāo)信息的，而激光點(diǎn)云則僅包含空間坐標(biāo)信息，對(duì)該坐標(biāo)的影像屬性是缺失的，解決影像與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的融合配準(zhǔn)是本項(xiàng)目的關(guān)鍵性創(chuàng)新點(diǎn)之一。系統(tǒng)設(shè)備在采集過(guò)程中，首先實(shí)現(xiàn)了全景影像及激光點(diǎn)云兩類數(shù)據(jù)在時(shí)間觸發(fā)上的同步采集，以此為基礎(chǔ)，在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)加工處理中，影像與點(diǎn)云數(shù)據(jù)可建立較高精度的配對(duì)關(guān)系，主要原理是通過(guò)由激光點(diǎn)云提供任意時(shí)刻、對(duì)應(yīng)處全景影像的三維坐標(biāo)，還原全景影像中任意點(diǎn)的坐標(biāo)。即以激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)確立的準(zhǔn)確坐標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，將全景影像與其套合，在此原理上，利用輔助網(wǎng)格方便進(jìn)行點(diǎn)位坐標(biāo)采集，長(zhǎng)度測(cè)量，面積測(cè)量，跨幀測(cè)量等。在全景影像中進(jìn)行測(cè)量的最大優(yōu)點(diǎn)就是無(wú)需逐個(gè)實(shí)地操作，在全景影像中就可以完成所見(jiàn)即所得的測(cè)量，高效安全。

全景相機(jī)與IMU偏心量的測(cè)定:全景相機(jī)與IMU偏心量可以直接用尺子量取，可以用全站儀分別測(cè)量相機(jī)投影中心和IMU中心坐標(biāo)，計(jì)算出偏心量。

全景相機(jī)與IMU間相對(duì)姿態(tài)精求:用點(diǎn)云配準(zhǔn)軟件與全景影像疊加工具，直接調(diào)整相機(jī)姿態(tài)角，使點(diǎn)云與影像中特征點(diǎn)完全匹配重合，記錄相機(jī)與IMU間相對(duì)姿態(tài)數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 相機(jī)影像與點(diǎn)云精確配準(zhǔn)精求姿態(tài)

根據(jù)相機(jī)與IMU間相對(duì)姿態(tài)數(shù)據(jù)和組合導(dǎo)航結(jié)果計(jì)算相機(jī)拍攝時(shí)刻外方位元素。利用共線方程式計(jì)算點(diǎn)云在影像中的位置，將此RGB值賦予點(diǎn)云形式彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 用全景影像融合得到廣州的彩色點(diǎn)云

(4)部件圖層處理

屬性錄入結(jié)合外業(yè)采集屬性數(shù)據(jù)庫(kù)、影像數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)資料、測(cè)區(qū)收集的地形圖、航空遙感影像、交通圖;各類數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)、相互補(bǔ)充，形成完整的部件圖層數(shù)據(jù)。

5 應(yīng)用實(shí)例

圖7 全景相機(jī)影像與激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精確配準(zhǔn)

圖8 二三維數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)，基于可量測(cè)全景影像的市政要素提取，絕對(duì)精度優(yōu)于0.5 m

圖9 基于原始點(diǎn)云和全景影像實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)三維建模和紋理貼附

圖10 具備量測(cè)功能的網(wǎng)絡(luò)版街景發(fā)布

6 結(jié)語(yǔ)

“基于RIEGL VZ－400及Ladybug3全景相機(jī)的移動(dòng)激光道路測(cè)量系統(tǒng)”在保持高精度、遠(yuǎn)距離的測(cè)量精度之外，兼顧城市實(shí)景測(cè)量車的特點(diǎn)、獲取適合人眼視覺(jué)的全景影像，可同時(shí)適用于地面定點(diǎn)激光掃描、車載移動(dòng)激光掃描、船載移動(dòng)激光掃描等不同載體平臺(tái)和應(yīng)用環(huán)境。系統(tǒng)以及相關(guān)的處理軟件自投入運(yùn)行以來(lái)，已經(jīng)在廣州市三維實(shí)景影像采集和城市管理部件普查(二期)、數(shù)字營(yíng)區(qū)建設(shè);帶狀地形圖測(cè)繪、道路改擴(kuò)建項(xiàng)目;移動(dòng)道路測(cè)量與航空傾斜攝影測(cè)量整合等項(xiàng)目中進(jìn)行了實(shí)際的應(yīng)用，與傳統(tǒng)測(cè)量手段形成了很好的互補(bǔ)、豐富了測(cè)繪地理信息產(chǎn)品的形式、延伸了測(cè)繪地理信息服務(wù)的產(chǎn)業(yè)鏈，為數(shù)字廣州、智慧廣州進(jìn)一步的發(fā)展提供強(qiáng)有力的支撐。

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