崔逍，李俊峰，徐央杰

(寧波市測繪設(shè)計研究院，浙江 寧波 315042)

車載三維激光掃描技術(shù)在軌道交通竣工測量中的應(yīng)用

崔逍*，李俊峰，徐央杰

(寧波市測繪設(shè)計研究院，浙江 寧波 315042)

基于嘗試動態(tài)三維激光掃描技術(shù)替代傳統(tǒng)測繪技術(shù)的目的，以寧波市軌道交通2號線高架區(qū)間規(guī)劃竣工測量項目為例，采用并融合GPS、POS、IMU、三維激光掃描、點云處理等技術(shù)，著重討論了車載掃描野外數(shù)據(jù)采集及處理、三維點云數(shù)據(jù)向二維成果轉(zhuǎn)化的過程及方法，最后通過與傳統(tǒng)方法的對比驗證，得出新方法可行的結(jié)論。

車載三維激光掃描；POS數(shù)據(jù)解算；點云；二維成果轉(zhuǎn)化

1 引 言

寧波市軌道交通2號線一期工程于2015年9月竣工通車。在項目驗收通車前，我院實施了規(guī)劃竣工測量工作。其中高架區(qū)間的竣工測量采用了車載三維激光掃描技術(shù)，大大降低了勞動時間和勞動強度，提高了作業(yè)效率。

寧波市軌道交通2號線一期工程高架段全長 6.2 km，西起江北區(qū)常洪隧道北側(cè)，沿寧鎮(zhèn)公路途經(jīng)路林站、三官堂站、寧波大學(xué)站、清水浦站，東至鎮(zhèn)海區(qū)東外環(huán)停車場。為了給規(guī)劃管理部門的驗收工作提供客觀、全面的竣工測量數(shù)據(jù)，竣工測量成果須包含竣工地形圖以及橫、縱剖圖。

成果精度應(yīng)滿足《寧波市城鄉(xiāng)規(guī)劃測繪管理技術(shù)規(guī)定》、《寧波市1∶500 1∶1000 1∶2000數(shù)字地形測量技術(shù)規(guī)程》的要求，高架區(qū)間結(jié)構(gòu)的成果精度應(yīng)滿足上述規(guī)程中二類地物的精度要求：點位中誤差優(yōu)于 ±7.5 cm、高程中誤差優(yōu)于±15 cm(相對于臨近圖根點)。

本文以寧波市軌道交通2號線一期工程高架區(qū)間竣工測量項目為依托，回顧了項目實施過程中野外數(shù)據(jù)采集、點云數(shù)據(jù)處理等技術(shù)環(huán)節(jié)，通過與傳統(tǒng)方法檢測成果對比的方式驗證成果精度，總結(jié)了新方法新技術(shù)的優(yōu)勢及項目實施過程中的不足之處。

2 野外數(shù)據(jù)采集

野外數(shù)據(jù)采集所采用的車載三維激光掃描系統(tǒng)由寧波市測繪設(shè)計研究院和武漢大學(xué)共同開發(fā)研制，如圖1所示，其以帕拉丁汽車為移動平臺，集成安裝了1部高精度慣性導(dǎo)航設(shè)備(GPS/IMU)、1臺高分辨率全景相機、2臺RIEGL公司不同型號的激光掃描儀VZ-400和LMS-120i、1臺同步控制單元以及4臺工控計算機。

圖1 車載三維激光掃描系統(tǒng)

系統(tǒng)采集前，應(yīng)對行進路線進行合理規(guī)劃，并提前了解衛(wèi)星星歷預(yù)報，防止GPS授時錯誤。系統(tǒng)進入采集開始采集前，應(yīng)停止一段時間，以實現(xiàn)POS系統(tǒng)的初始化。在前往測區(qū)過程中，選擇一條GPS觀測條件較好的直線道路行駛一段時間。當(dāng)車輛抵達測區(qū)時，VZ-400固定在車輛一側(cè)保持在一個角度上進行線狀條帶掃描，LMS-Q120i固定在車輛后側(cè)對車輛下方進行線狀條帶掃描。作業(yè)過程中系統(tǒng)行進速度約 30 km/h，盡量保證車輛平穩(wěn)行駛。掃描角度視現(xiàn)場環(huán)境及時調(diào)整，避免出現(xiàn)較大的掃描空洞。在數(shù)據(jù)采集完畢后，將車輛停止一段時間，保證最終的POS數(shù)據(jù)精度。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 點云數(shù)據(jù)處理

(1)POS數(shù)據(jù)解算

利用Waypoint軟件對車載POS數(shù)據(jù)與GPS基站數(shù)據(jù)進行聯(lián)合解算。原始POS數(shù)據(jù)包括基站數(shù)據(jù)以及移動站數(shù)據(jù)。其中基站數(shù)據(jù)為GNSS靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)，供差分GNSS使用；移動站數(shù)據(jù)包括GNSS數(shù)據(jù)以及慣導(dǎo)IMU數(shù)據(jù)。POS數(shù)據(jù)后處理首先需將移動站GNSS數(shù)據(jù)與基站GNSS數(shù)據(jù)進行差分處理，解算得到基于GNSS的車載LiDAR系統(tǒng)軌跡，然后將GNSS差分結(jié)果與慣導(dǎo)IMU數(shù)據(jù)進行緊耦合(TC，Tightly Coupled)，如果采用雙向緊耦合模式，需將雙向緊耦合結(jié)果進行組合，并將緊耦合結(jié)果進行RTS平滑得到最終的高精度位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)，同理可得采用松耦合模式時的解算，最后將處理結(jié)果輸出，即得到處理后的POS數(shù)據(jù)。其處理流程如圖2所示：

圖2 基于差分GNSS的POS數(shù)據(jù)處理

(2)激光點云定位定向

定位前，將IMU和車載GPS數(shù)據(jù)進行分離，將分離出來后的GPS數(shù)據(jù)進行定位解算。根據(jù)計算獲得的GPS天線處坐標(biāo)信息計算激光掃描儀處的坐標(biāo)信息。GPS天線偏心分量實測獲得；IMU偏心分量和IMU與激光掃描儀相對位置取標(biāo)定資料提供的值。聯(lián)合POS數(shù)據(jù)解算結(jié)果，確定每一個激光點的絕對坐標(biāo)值，實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的定向。

(3)點云裁切以及噪聲點剔除

車載系統(tǒng)在數(shù)據(jù)掃描的過程中，不可避免產(chǎn)生了很多較多冗余數(shù)據(jù)以及其他原因產(chǎn)生的噪聲數(shù)據(jù)等，因而需要對點云數(shù)據(jù)進行濾波。采用自主研制的City Scene軟件逐站將激光點云數(shù)據(jù)逐段導(dǎo)入，通過軟件的過濾功能去除噪聲點云，得到濾波后的點云數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 處理后的三維激光點云截圖

3.2 竣工圖繪制

在獲取了軌道交通結(jié)構(gòu)完整的三維激光點云數(shù)據(jù)后，利用我院自主開發(fā)的“清云點云處理系統(tǒng)”，綜合選擇以下幾種方法繪制二維平面圖、縱剖圖、橫剖圖。

(1)取點

對于路燈、電桿、井蓋、消火栓、標(biāo)高點等獨立地物要素，在三維激光點云中直接取點導(dǎo)入二維繪圖平臺進行繪制。

(2)畫線

用于高架結(jié)構(gòu)外輪廓線平面圖的繪制。在三維激光點云中對高架區(qū)間外輪廓線進行畫線，導(dǎo)入二維繪圖平臺。

(3)水平切片

主要用于高架墩柱的平面圖繪制。按一定的標(biāo)高對點云進行水平切片，得到高架墩柱的外輪廓點云，自動連線處理后導(dǎo)入至二維繪圖平臺，如圖4、圖5所示。

圖4 墩柱點云水平切片截圖

圖5 墩柱二維成果圖

(4)垂直切片

垂直切片主要用于橫、縱剖面的繪制，在垂直視角下按繪制的斷面線對點云數(shù)據(jù)進行切片，自動連線處理后導(dǎo)入至二維繪圖平臺，如圖6、圖7所示。

圖6 高架結(jié)構(gòu)垂直切片截圖

圖7 高架結(jié)構(gòu)橫剖面二維成果圖

4 精度檢驗

為了驗證成果精度，采用傳統(tǒng)全站儀檢測結(jié)構(gòu)特征點35個，計算成果點位中誤差及高程中誤差分別為 7.4 cm和 6.8 cm，滿足相關(guān)規(guī)范要求。另外，如通過高精度檢測點校正點云數(shù)據(jù)，可以得到更高精度的成果。

5 結(jié) 語

利用車載三維激光掃描技術(shù)進行規(guī)劃竣工測量，可以滿足二類地物的精度指標(biāo)。與傳統(tǒng)方法相比具有大幅度提高生產(chǎn)效率(外業(yè)時間為傳統(tǒng)方法的10%)、降低勞動強度的優(yōu)勢，所獲得的海量點云數(shù)據(jù)所包含的信息量更大，數(shù)據(jù)可挖掘、可拓展的價值更高。三維點云向二維成果轉(zhuǎn)化的過程中，不同地物采取不同的處理方式可以有效提高內(nèi)業(yè)生產(chǎn)效率。

[1] 張毅. 地面三維激光掃描點云數(shù)據(jù)處理方法研究[D]. 武漢：武漢大學(xué)，2008.

[2] 盧秀山，李清泉，馮文灝等. 車載式城市信息采集與三維建模系統(tǒng)[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報·工學(xué)版，2003，36(3)：76～80.

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OntheCompletionoftheVehicle3DLaserScanningTechnologyandItsApplicationintheMeasurementofRailTraffic

Cui Xiao，Li Junfeng，Xu Yangjie
(Ningbo Institute of Surveying & Mapping，Ningbo 315042，China)

Dynamic 3d laser scanning technology based on trying to replace the traditional surveying and mapping technology，the purpose of the rail transit line no. 2 in ningbo elevated range planning completed measuring project as an example，using GPS，POS，innovative marketing and fusion，3d laser scanning，point cloud processing，such as technology，emphatically discusses the on-board scanning field data acquisition and processing，3d point cloud data to the 2d achievements transformation process and method，at last，by comparing with the traditional method validation，come to the conclusion that the new method is feasible.

on-board 3d laser scanning；POS data decoding；point cloud；2d achievements transformation

1672-8262(2017)06-84-03

P234.4

B

2017—02—15

崔逍(1987—)，男，工程師，注冊測繪師，主要從事工程測量等技術(shù)工作。