武少豐，杜洪濤

(1. 河南中原公路勘察設(shè)計(jì)有限公司，河南 濮陽 457000； 2. 北京麥格天渱科技發(fā)展有限公司，北京 100043)

三維激光掃描測量系統(tǒng)也稱為三維激光成圖系統(tǒng)，主要由三維激光掃描儀和系統(tǒng)軟件組成，其工作目標(biāo)就是快速、方便、準(zhǔn)確地獲取近距離靜態(tài)位圖的空間三維模型，以便對模型進(jìn)行分析和處理。激光掃描儀所獲得的數(shù)據(jù)是由離散的三維點(diǎn)構(gòu)成的點(diǎn)云。點(diǎn)云的每一個(gè)像素包含一個(gè)距離值和角度值，三維激光掃描技術(shù)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以達(dá)到毫米級的采樣間隔，從而使激光掃描技術(shù)可以用于工程測量、建筑測量、數(shù)字城市等領(lǐng)域。隨著科技的發(fā)展，地面靜態(tài)三維激光掃描技術(shù)日漸趨于成熟，大大提高了測量數(shù)據(jù)的完整性和成果應(yīng)用的豐富性。本文主要涉及采用ZEB-REVO移動掃描儀、高精度SLAM移動掃描系統(tǒng)、點(diǎn)云編輯與成果系統(tǒng)、TBC通道模塊進(jìn)行道路設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)組成

1.1 高精度SLAM移動掃描系統(tǒng)

同步定位與制圖(simultaneous localisation and mapping,SLAM)技術(shù)能夠通過對周圍世界的探測，逐步描繪出環(huán)境地圖，并確定自身所處的位置，本項(xiàng)目所用設(shè)備為ZEB-REVO移動掃描儀，硬件由電源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)控制與存儲系統(tǒng)、激光器和IMU慣性導(dǎo)航單元組成。

1.2 點(diǎn)云編輯與成果生成系統(tǒng)

點(diǎn)云編輯與成果生成系統(tǒng)主要為Trimble RealWorks軟件，可以實(shí)現(xiàn)對GeoSLAM所生成點(diǎn)云的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、編輯取樣，獲得DEM高程模型等數(shù)字化成果。

1.3 TBC通道模塊進(jìn)行道路設(shè)計(jì)

運(yùn)用TBC通道模板創(chuàng)建道路水平定線，創(chuàng)建定線時(shí)TBC提供多種方式：導(dǎo)入設(shè)計(jì)CAD數(shù)據(jù)、在TBC中繪制一條三維折線、手動輸入定線參數(shù)等。道路斷面模板里設(shè)置路面、路肩、邊坡、排水溝、護(hù)坡等道路設(shè)計(jì)要素，進(jìn)而快速、準(zhǔn)確地完成道路設(shè)計(jì)。

2 項(xiàng)目應(yīng)用分析

2.1 測區(qū)概況

G106至S209公路改建工程起點(diǎn)位于G106線上，終止S209線上。建設(shè)里程3.625 km；其中新建段0.915 km，加寬改建段2.710 km。該道路主要服務(wù)于沿線各村的生產(chǎn)、生活需要?，F(xiàn)有道路修建等級較低，路面結(jié)構(gòu)較為薄弱，隨著沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)展、交通量急劇增加，現(xiàn)有路面寬度已不能滿足車輛通行的需要，致使道路通行能力降低。近年來，經(jīng)濟(jì)發(fā)展同樣也帶動交通的發(fā)展，為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，服務(wù)沿線農(nóng)業(yè)和農(nóng)村建設(shè)，擬對本道路進(jìn)行改擴(kuò)建。

項(xiàng)目測區(qū)為一段需要單側(cè)擴(kuò)建的鄉(xiāng)村水泥路，原始路面寬度為5 m，現(xiàn)需要將道路右側(cè)(南側(cè))加寬至9 m。擴(kuò)建路段全長2710 m，沿途跨過4條旱河，在設(shè)計(jì)擴(kuò)建方案時(shí)，需要考慮沿途橋梁與涵洞，進(jìn)行三維激光掃描，可以生成高精度實(shí)景點(diǎn)云模型進(jìn)行三維分析。

2.2 三維激光掃描外業(yè)流程

2.2.1 控制點(diǎn)布設(shè)

本項(xiàng)目共做兩組測試，第1組測試每400 m做一次閉合掃描，將測區(qū)分為4個(gè)區(qū)段，共布設(shè)5個(gè)控制點(diǎn)，如圖1所示；第2組測試每200 m做一次閉合掃描，將測區(qū)分為8個(gè)區(qū)段，共布設(shè)9個(gè)控制點(diǎn)，如圖2所示。

為了提高控制點(diǎn)布設(shè)效率，現(xiàn)場使用定制靶球，將對中桿、標(biāo)靶球和GPS接收機(jī)集成于一體，只需要準(zhǔn)備兩套即可。在單段掃描時(shí)將兩套靶球分別放置在首尾處。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)區(qū)段掃描結(jié)束后，將首端處的靶球轉(zhuǎn)移到下一段的末端，而尾端處的靶球作為下一區(qū)段的首段控制點(diǎn)保持不動。通過對GPS坐標(biāo)的計(jì)算，可以得到靶球的球心坐標(biāo)，如圖3所示。

圖1 測試1分段掃描示意圖

2.2.2 區(qū)段掃描

由于SLAM算法的本質(zhì)是特征匹配，為了獲得精度更高的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在外業(yè)掃描時(shí)需要盡可能地形成閉合環(huán)。同時(shí)兩次區(qū)段掃描需要有足夠的重疊部分。本次項(xiàng)目的兩次測試都采用了“8”型掃描路線，以下為兩種比較好的策略，如圖4、圖5所示。

圖5 策略2：區(qū)段中心為初始化點(diǎn)

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 點(diǎn)云提取

數(shù)據(jù)處理首先使用該系統(tǒng)配置軟件將SLAM數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)融合，生成通用格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在處理時(shí)需要對軟件的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.3.2 點(diǎn)云拼接

點(diǎn)云拼接是依據(jù)重疊部分的點(diǎn)云特征將兩段數(shù)據(jù)拼接起來，這一步操作時(shí)應(yīng)將縮放參數(shù)定義為1。即使兩個(gè)掃描區(qū)段在重疊區(qū)域獲取的點(diǎn)云存在形態(tài)差異也應(yīng)原狀保留，作為后期精度分析的參考因子。

GeoSLAM自帶的慣導(dǎo)單元能夠保證數(shù)據(jù)成果的高程軸正確，因此在拼接之前要在TRW中將所有點(diǎn)云文件設(shè)置為“已整平測站”，這樣能保證兩段數(shù)據(jù)拼接時(shí)高程軸鎖定，被移動的點(diǎn)云參考基準(zhǔn)點(diǎn)云做4參數(shù)變換(3個(gè)平移量，一個(gè)繞高程軸的旋轉(zhuǎn)量)，相對于不鎖定高程軸時(shí)的6參數(shù)變化來說成果精度更高。

2.3.3 地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換是通過對現(xiàn)場的標(biāo)靶球賦予絕對坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云成果的坐標(biāo)定義。先將GPS的坐標(biāo)信息通過高程值改正轉(zhuǎn)換成靶球中心坐標(biāo)，直接導(dǎo)入TRW點(diǎn)云處理軟件中。在TRW軟件中提取靶球，并為其選擇對應(yīng)的控制點(diǎn)。本項(xiàng)目所有靶球目標(biāo)均在同一款軟件(TRW)中依據(jù)同一款硬件設(shè)備(GeoSLAM)獲取的點(diǎn)云來擬合，兩個(gè)230 mm直徑的靶球制作工藝嚴(yán)謹(jǐn)，擬合誤差均小于1 cm，較為穩(wěn)定。因此認(rèn)為靶球的擬合誤差為系統(tǒng)誤差，本次分析地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換殘差時(shí)，對靶球擬合精度忽略不計(jì)。

表1、表2為兩次測試對應(yīng)的地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)化殘差。殘差值是在地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)化時(shí)，控制點(diǎn)實(shí)際位置與點(diǎn)云中靶球位置的斜距。對數(shù)據(jù)精度評價(jià)有著很大的參考意義。通過控制點(diǎn)轉(zhuǎn)換殘差表可以得出，當(dāng)區(qū)段為200 m時(shí)，使用GeoSLAM獲取的點(diǎn)云精度比區(qū)段為400 m時(shí)更高。

表1 測試1地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換控制點(diǎn)殘差

表2 測試2地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換控制點(diǎn)殘差

2.3.4 精度驗(yàn)證

本項(xiàng)目測區(qū)前期已經(jīng)使用無人機(jī)航測技術(shù)手段獲取了正射影像，并制作了CAD公路規(guī)劃設(shè)計(jì)圖，可以直接使用已有數(shù)字成果在TRW中對GeoSLAM點(diǎn)云成果進(jìn)行精度檢核。

2.4 數(shù)據(jù)成果

2.4.1 點(diǎn)云三維實(shí)景數(shù)據(jù)

在掃描道路后，通過TRW點(diǎn)云處理軟件對獲取的點(diǎn)云成果數(shù)據(jù)將項(xiàng)目現(xiàn)場實(shí)景復(fù)制到電腦中，可以更好地結(jié)合實(shí)景進(jìn)行道路規(guī)劃、設(shè)計(jì)。

2.4.2 基于實(shí)景點(diǎn)云的統(tǒng)計(jì)分析

基于實(shí)景點(diǎn)云可以進(jìn)行橋涵統(tǒng)計(jì)、電力設(shè)施統(tǒng)計(jì)、拆遷統(tǒng)計(jì)等公路改建前期調(diào)研工作。

2.4.3 DEM生成

使用TRW點(diǎn)云處理軟件快速將點(diǎn)云中的植被與建筑剔除，獲取地面點(diǎn)云。完成點(diǎn)云濾波后，直接獲取DEM高程點(diǎn)云，可以在TRW中將其抽稀后輸出為DWG高程點(diǎn)，也可以直接生成高程網(wǎng)格模型，并進(jìn)一步生成道路橫、縱斷面、填挖方報(bào)告、等高線等延伸應(yīng)用。

2.4.4 道路設(shè)計(jì)及放樣

結(jié)合無人機(jī)航拍正射圖并利用道路專用設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行道路的選線，并生成路線曲線要素，運(yùn)用TBC通道模板創(chuàng)建道路水平定線并輸入道路曲線要素，如圖6所示。

圖6 道路水平定線

運(yùn)用TBC通道模板創(chuàng)建豎直定線并輸入道路曲線要素，如圖7所示。

圖7 道路豎直定線

運(yùn)用TBC通道模板創(chuàng)建超高段模型，如圖8所示。

圖8 超高段參數(shù)輸入

利用TBC通道模塊輸入路線曲線要素后并導(dǎo)出RXL格式的道路放樣文件，將RXL格式的道路文件導(dǎo)入TSC3手簿進(jìn)行外業(yè)放樣工作，如圖9所示。

圖9 導(dǎo)出RXL道路放樣數(shù)據(jù)

3 結(jié) 語

使用GeoSLAM移動測量設(shè)備，同時(shí)搭配TRW、TBC等內(nèi)業(yè)點(diǎn)云編輯與處理系統(tǒng)，提供了豐富的數(shù)據(jù)成果，能夠滿足公路測設(shè)中的外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理以及外業(yè)道路放樣的需要?？蓪⒉贿M(jìn)行任何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)無縫導(dǎo)入外業(yè)設(shè)備，進(jìn)行交樁、放樣等，可使整個(gè)道路設(shè)計(jì)簡單、快速、準(zhǔn)確，值得探索推廣。