李 柏

(浙江省測繪大隊(duì)，浙江杭州 310030)

利用移動三維激光測量系統(tǒng)進(jìn)行公路竣工測量方法的研究

李 柏

(浙江省測繪大隊(duì)，浙江杭州 310030)

研究移動三維激光測量系統(tǒng)在高速公路竣工測量中的應(yīng)用方法，介紹測量系統(tǒng)的工作原理，制定該方法在實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)流程，分析比較成果數(shù)學(xué)精度，總結(jié)出該方法的優(yōu)缺點(diǎn)，對公路竣工測量具有重要應(yīng)用價(jià)值。

移動三維激光測量系統(tǒng)；竣工測量；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；精度分析

一、引 言

三維激光掃描技術(shù)作為非接觸式的快速獲取三維空間信息的新測繪方法，廣泛應(yīng)用于測繪行業(yè)，并帶動了測繪技術(shù)的全新發(fā)展。以三維激光雷達(dá)為核心傳感器，結(jié)合GPS和IMU進(jìn)行激光掃描的移動測量系統(tǒng)正在悄然興起。車載移動三維激光測量系統(tǒng)利用GPS/IMU以一定采樣頻率獲取慣導(dǎo)的位置和姿態(tài)信息，并將該信息傳遞給激光掃描儀，從而獲得掃描點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。在快速獲取的大量點(diǎn)云信息中提取用戶需要的部分，生成三維景觀模型或傳統(tǒng)的線劃圖，應(yīng)用前景廣闊。本文以實(shí)際工作為例，采用國內(nèi)自主研發(fā)的SSW車載激光建模測量系統(tǒng)，對全長40 km的嘉紹高速公路進(jìn)行竣工測量，研究移動三維激光測量系統(tǒng)在實(shí)際工程應(yīng)用中的方法及優(yōu)缺點(diǎn)，為改進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)提供事實(shí)依據(jù)，并為該技術(shù)今后在公路測量領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

二、技術(shù)應(yīng)用背景

本次施測的嘉紹高速公路地處杭嘉湖平原嘉興境內(nèi)，地勢平坦，水系發(fā)達(dá)，公路沿線多橋梁涵洞，兩側(cè)零星分布居民地及工廠企業(yè)，植被以水田為主，視野開闊。經(jīng)過前期的現(xiàn)場踏勘及技術(shù)調(diào)研，本項(xiàng)目存在幾個(gè)工作難點(diǎn)：①高速公路指揮部要求工期非常緊急，20天內(nèi)必須提交40 km 1∶1000帶狀圖的全部成果；②該路段已于2013年7月通車，路面車流量大，如果采用傳統(tǒng)方法派大量人員上路測繪存在重大安全隱患；③全封閉道路有鐵絲網(wǎng)與外界隔斷，鐵絲網(wǎng)外50 m地形圖實(shí)測難度大，人員進(jìn)出不便；④公路沿線附近有空域管控地區(qū)，如果采用無人機(jī)航測同樣難以實(shí)施。為解決上述困難，按時(shí)完成工作任務(wù)，最終決定采用車載移動三維激光測量系統(tǒng)進(jìn)行具體施測。移動測量系統(tǒng)在高速公路測量應(yīng)用的案例并不多，經(jīng)過技術(shù)論證，理論上通過該方法可以解決生產(chǎn)中的實(shí)際困難，大幅提高作業(yè)效率。

三、技術(shù)實(shí)施方法

1.SSW車載激光建模測量系統(tǒng)工作原理

SSW車載激光建模測量系統(tǒng)是北京四維遠(yuǎn)見信息技術(shù)有限公司自主研發(fā)的新一代快速數(shù)據(jù)獲取及處理的高科技測量設(shè)備。SSW系統(tǒng)以各種工具車為載體，集成國產(chǎn)360°激光掃描儀、IMU和GPS、CCD相機(jī)，以及轉(zhuǎn)臺、里程計(jì)(DMI)等多種傳感器。系統(tǒng)由控制單元、數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理軟件構(gòu)成。利用SSW車載激光建模測量系統(tǒng)進(jìn)行已竣工高速公路三維數(shù)據(jù)獲取，經(jīng)數(shù)據(jù)解算、校正、地理坐標(biāo)匹配，并與CCD相機(jī)影像進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到三維彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用系統(tǒng)后處理軟件進(jìn)行地物特征信息提取，并對滿足要求的特征線進(jìn)行手工編輯，使地物三維矢量數(shù)據(jù)滿足1∶1000地形圖測繪需要，轉(zhuǎn)化為DXF格式后，導(dǎo)入編圖軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯與整飾，形成地形圖。

2.利用SSW系統(tǒng)進(jìn)行公路竣工測量的實(shí)施方法

根據(jù)技術(shù)設(shè)計(jì)內(nèi)容及建設(shè)要求，車載移動激光測量系統(tǒng)獲取基礎(chǔ)地理信息及公路沿線精細(xì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)解算獲得三維彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，交互提取道路及附屬設(shè)施信息，參照高清照片編輯成圖，技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 車載移動激光測量方法

(1)SSW系統(tǒng)控制測量

車載激光掃描系統(tǒng)距離基站控制點(diǎn)的作業(yè)半徑為15 km，為此選取了位于測區(qū)中間的兩點(diǎn)(GI26、GI10)作為車載激光掃描系統(tǒng)的作業(yè)控制點(diǎn)。GPS觀測使用2臺GPS接收機(jī)Trimble R8用于基站測量，并采用靜態(tài)觀測法。接收機(jī)開始正常接收并記錄數(shù)據(jù)后，通知車載激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行掃描工作，隨時(shí)注意衛(wèi)星信號和信息的存儲情況。當(dāng)接收或存儲出現(xiàn)異常時(shí)，及時(shí)與移動測量車取得聯(lián)系，重新進(jìn)行測量。觀測結(jié)束后及時(shí)下載數(shù)據(jù)，并將當(dāng)天的數(shù)據(jù)進(jìn)行差分解算。差分解算采用IE軟件解算，先采用WGS-84大地坐標(biāo)系，進(jìn)行無約束自由網(wǎng)基線解算，再對車載激光掃描系統(tǒng)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行差分，檢查附合《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》(GB/T 18314—2009)規(guī)定的限差之內(nèi)時(shí)，輸入已知點(diǎn)成果，進(jìn)行平差解算，最后成果轉(zhuǎn)換到當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系統(tǒng)。

(2)激光點(diǎn)云外業(yè)數(shù)據(jù)獲取

1)掃描路線踏勘，主要進(jìn)行設(shè)備測試，如GPS信號、掃描角度、軌跡記錄等(需要引導(dǎo)車)。

2)基站架設(shè)：由于本次任務(wù)是測繪帶狀圖，且是1∶1000大比列尺地形圖，要求精度高，測區(qū)總長度為40 km，根據(jù)車載測量移動精度要求(精度要求高時(shí)基站距離原則上不能超過10 km)，因此在測區(qū)中部設(shè)立兩個(gè)控制點(diǎn)(精度要求達(dá)到一級控制點(diǎn)的精度要求)，并在施工時(shí)架設(shè)兩個(gè)基站，分布如圖2所示。

圖2 基站設(shè)定及運(yùn)行軌跡

3)控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)測量：均勻分布檢查點(diǎn)，兩點(diǎn)間通視條件良好。

4)正式掃描：系統(tǒng)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)激光移動測量車按規(guī)劃路線以30 km/h速度行駛。

5)點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算：包括組合導(dǎo)航計(jì)算、點(diǎn)云初計(jì)算、精度檢查、點(diǎn)云/軌跡修正等，得到正式彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

6)解算精度檢測：往返掃點(diǎn)云上采集相同位置的檢查點(diǎn)精度情況，對于往返不重合的地方用控制點(diǎn)修正或軌跡修正的方法進(jìn)行修正。

(3)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理

將車載激光掃描系統(tǒng)采集的GPS數(shù)據(jù)、三維激光掃描儀數(shù)據(jù)、慣導(dǎo)IMU數(shù)據(jù)和CCD線陣相機(jī)數(shù)據(jù)，通過專用軟件聯(lián)合解算七參數(shù)，得到內(nèi)業(yè)處理所需的“彩色點(diǎn)云”數(shù)據(jù)(相當(dāng)于傳統(tǒng)上的碎部點(diǎn))。數(shù)據(jù)處理包括組合導(dǎo)航計(jì)算、點(diǎn)云軌跡修正、影像文件處理、彩色點(diǎn)云計(jì)算、點(diǎn)云缺失處理和點(diǎn)云重疊處理等，如圖3、圖4所示。

圖3 原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)(頂部)

(4)數(shù)學(xué)精度分析

為了確保數(shù)據(jù)成果質(zhì)量，用傳統(tǒng)作業(yè)方式(RTK＋全站儀)采集沿線具有代表性的現(xiàn)狀地形數(shù)據(jù)，共采集靠近公路兩側(cè)具有代表性的地物點(diǎn)(包括房角、圍墻角、鐵絲網(wǎng)、涵洞等)220個(gè)，與最終提交的激光掃描生成的線劃圖成果數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。通過公式計(jì)算求得地物點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為18 cm，限差為30 cm《1∶500 1∶1000 1∶2000外業(yè)數(shù)字測圖技術(shù)規(guī)程》(GB/T 14912—2005)。從誤差統(tǒng)計(jì)表(見表1)中可以看出大部分誤差值在10 cm以內(nèi)，也有個(gè)別點(diǎn)超過限差。另外，對高速路面高程點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)檢查，共檢查80個(gè)點(diǎn)，中誤差為15 cm，限差為30 cm。平面和高程精度均能滿足本次1∶1000線劃地形圖的要求。

圖4 生成1∶1000線劃圖

表1 部分地物點(diǎn)平面誤差統(tǒng)計(jì)表m

四、結(jié)束語

本文對移動三維激光測量系統(tǒng)在高速公路竣工測量中的應(yīng)用方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，包括SSW車載激光建模測量系統(tǒng)的工作原理，在竣工測量中的技術(shù)實(shí)施以及數(shù)學(xué)精度的比較分析等，充分驗(yàn)證了移動三維激光測量系統(tǒng)具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)也通過具體實(shí)例找出該方法在應(yīng)用中存在的不足：①點(diǎn)云處理及線型提取難度大；②遮擋區(qū)域有空洞時(shí)需外業(yè)補(bǔ)測；③受信號干擾產(chǎn)生精度損失等，需要今后在技術(shù)研發(fā)中進(jìn)一步改進(jìn)。尤其是內(nèi)業(yè)處理中無法完全智能化提取必要地理信息元素，內(nèi)業(yè)提取工作量大，而且容易造成地形失真、地物遺漏等問題。當(dāng)然，移動三維激光測量系統(tǒng)強(qiáng)大的非接觸式快速獲取地理空間信息技術(shù)是傳統(tǒng)的測量手段無法比擬的，它能夠大幅減少外業(yè)工作量，提高工作效率，降低野外作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)等，必將成為測繪行業(yè)技術(shù)升級的主攻方向。

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Research on Method for Highway Final Survey Based on Moving 3D Laser Surveying System

LI Bai

P258

B

0494-0911(2014)09-0094-03

2014-07-19

李 柏(1976—)，男，遼寧昌圖人，碩士，高級工程師，主要從事工程測量應(yīng)用技術(shù)方面的工作。引文格式:李柏.利用移動三維激光測量系統(tǒng)進(jìn)行公路竣工測量方法的研究[J].測繪通報(bào)，2014(9)：94-96.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014. 0304