王玉蘭，張瑩，吳永興

(深圳市勘察研究院有限公司，廣東 深圳 518026)

1 前 言

市政建設(shè)工程竣工測量是規(guī)劃部門對市政建設(shè)工程施工的符合性進行測繪復核、對市政建設(shè)工程進行行政管理的重要內(nèi)容，竣工測量主要包括 1∶500地形圖測量、道路縱橫斷面測量、地下管線探測、規(guī)劃復核等工作內(nèi)容。由于部分市政工程建成后即投入試運行，在規(guī)劃驗收測量時路面車流量大、交通情況復雜，常規(guī)的測量方法需要人員在路面進行作業(yè)，存在很大的安全隱患。

三維激光掃描又被稱為實景復制技術(shù)，它不需要接觸被測物體，直接通過發(fā)射激光來掃描被測物體，并快速獲取被測物體表面的三維坐標，具有快速、實時、高密度、高精度、數(shù)字化、自動化等特點。

2017年底，深圳市勘察研究院有限公司承接南坪快速路(二期)竣工測量項目，該工程主線起于南頭立交，終點接南坪一期塘朗立交，主線全長約 6.5 km(如圖1所示)。由于線路長、車流量大、車速快，使得常規(guī)測量手段受到很大的影響。而車載激光掃描系統(tǒng)以其靈活、機動、快速等優(yōu)勢成為首選的新技術(shù)。本項目選用中海達車載激光測量系統(tǒng)進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集及圖形處理工作，并對點云數(shù)據(jù)進行精度驗證，其結(jié)果滿足大比例尺地形圖的測量要求。項目作業(yè)流程如圖2所示。

圖1 測區(qū)位置示意圖

圖2 項目作業(yè)流程

2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集使用中海達高精度車載移動測量系統(tǒng)(如圖3所示)，該系統(tǒng)采用基于激光掃描、POS系統(tǒng)、CCD相機等多種傳感器與技術(shù)集成的測量和信息采集移動平臺，將GPS、GIS、RS以及LS(Laser Scanning)技術(shù)進行有機結(jié)合，實現(xiàn)車輛移動過程中實時、快速獲取地物的三維空間位置和屬性信息，利用多源數(shù)據(jù)融合與處理技術(shù)編制線劃地形圖，從而達到高效、節(jié)能的效果。

外業(yè)數(shù)據(jù)采集前，收集測區(qū)已有等級控制點數(shù)據(jù)，作為測區(qū)控制測量的起算點；收集測區(qū)已有的 1∶1 000地形圖，作為外業(yè)踏勘工作底圖。利用外業(yè)工作底圖進行實地踏勘，確認采集范圍內(nèi)的道路交通狀況、采集線路之間的關(guān)聯(lián)性，并在底圖上做好標記，以便合理規(guī)劃基站位置、POS對齊位置、控制點(靶標)位置、行駛線路等，盡量規(guī)劃沿GNSS信號良好的區(qū)域行駛。

(1)控制點(靶標)布設(shè)與測量

本項目采集環(huán)境為高速公路，考慮到安全因素，不便在主車道中間的虛線角點處進行測量，而應急車道無標線角點，所以需要布設(shè)靶標。靶標設(shè)置在應急車道靠外側(cè)較明顯的位置，沿道路每隔 300 m布設(shè)一控制點(靶標)，共布設(shè)49個。靶標點為中心黑十字、外白圓形、最外圍黑矩形框，圓形部分噴涂白色涂料，方便點云的識別(如圖4所示)。

圖4 控制點(靶標)圖樣

控制點(靶標)采用網(wǎng)絡RTK測量方法進行二級控制點測量，高程采用四等水準測量方法，測量成果用于點云數(shù)據(jù)精度糾正。

(2)地面基站的架設(shè)

本項目地面基站采用靜態(tài)基站模式，選取測區(qū)內(nèi)原有的1個GPS點作為地面基站點，測區(qū)內(nèi)任意位置與地面基站間的距離均小于 15 km，滿足規(guī)范的要求?；静杉瘯r間均包含有效行駛時間，有效作業(yè)時間固定解比例超過了95%；載波L1的多路徑影響MP1和載波L2的多路徑影響MP2均小于 0.5 m；基站采集頻率為 1 Hz，滿足規(guī)范要求；基站數(shù)據(jù)均能夠進行GPS解算，無失鎖現(xiàn)象。地面靜態(tài)基站設(shè)備采用海星達雙頻GPS接收機，采樣間隔為 1 s，基站點架設(shè)位置如圖5所示。

圖5 基站位置架設(shè)示意圖

(3)數(shù)據(jù)采集

采用一體化移動三維測量系統(tǒng)操控軟件進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作，該軟件是一體化移動測量硬件設(shè)備的配套軟件。為了保證數(shù)據(jù)采集效果，數(shù)據(jù)采集分為兩個階段進行，白天采集全景影像數(shù)據(jù)，晚上車少時采集激光點云數(shù)據(jù)，采集車輛在最外側(cè)車道上以 30 km/h的速度勻速行駛。

(4)數(shù)據(jù)檢查

每天獲取激光點云數(shù)據(jù)后，必須當天對數(shù)據(jù)進行初步解算，查看GPS信號強弱，對GPS信號不好時段獲取的數(shù)據(jù)進行重新掃描，以保證初始數(shù)據(jù)的完整與準確。

鄉(xiāng)村旅游公路不同于一般的旅游公路,不僅要具備交通功能,更要從鄉(xiāng)村旅游車輛和游人使用時的需求為出發(fā)點,本著客觀性、整體性、全面性、實證性、可操作性原則,明確評價體系中各評價因子及其含義限定(表3)。

3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

(1)POS位置解算

POS位置解算主要是用基站數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)(移動站GPS數(shù)據(jù)+IMU數(shù)據(jù)+里程計數(shù)據(jù))組合解算，并輸出融合軟件必需的高精度定位定姿數(shù)據(jù)(如圖6所示)。在進行POS解算操作時，主要包括基站數(shù)據(jù)預處理和POSPac解算兩部分。基站數(shù)據(jù)預處理是將基站原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應格式，然后將處理之后的基站數(shù)據(jù)進行組合解算，得到高精度定位定姿數(shù)據(jù)。

圖6 POS解算

(2)點云數(shù)據(jù)融合解算

融合解算是將iScan-SU1車載激光掃描系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)進行配準與融合，還原出被測目標的三維幾何空間坐標和屬性，生成點云文件，以供其他系列軟件進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。瀏覽點云數(shù)據(jù)，檢查點云數(shù)據(jù)存在的漏洞或者點云密度不夠區(qū)域，于第二天進行補測。

由于車載激光掃描系統(tǒng)采集得到的激光點云坐標為WGS84橢球下的經(jīng)緯度和橢球高，對應的投影坐標也是高斯三度帶投影坐標，本項目采用的是深圳獨立坐標系、1956年黃海高程基準，利用融合解算軟件將三維激光點云數(shù)據(jù)坐標系轉(zhuǎn)換到深圳獨立坐標系。

(3)點云數(shù)據(jù)優(yōu)化

高精度的點云數(shù)據(jù)包括了行車掃描過程中激光器所能接收到的一切回波信息，需要濾除噪聲信息，利用內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件進行點云數(shù)據(jù)自動去噪。提取數(shù)據(jù)中對應靶標的點云三維信息，通過靶標控制點成果對點云數(shù)據(jù)精度平差，進行平面和高程改正，以滿足道路竣工測量的精度要求。

(4)點云數(shù)據(jù)分類

對于糾偏校正后的三維激光點云數(shù)據(jù)，由于其存在大量的無用點云數(shù)據(jù)(道路兩旁點云數(shù)據(jù)、植被點云數(shù)據(jù)、頂部架橋點云數(shù)據(jù)等)，本項目采用高程分類、區(qū)域高差分類方法，輔以車載相機所記錄的行車影像進行人工干預，通過人機交互技術(shù)手段，對點云數(shù)據(jù)進行準確的分類。此作業(yè)目的在于減少點云數(shù)據(jù)量，排除干擾點云數(shù)據(jù)，便于后期路面特征點提取工作(如圖7、圖8、圖9所示)。

圖7 點云數(shù)據(jù)分類

圖8 分類前的點云數(shù)據(jù)

圖9 分類后的點云數(shù)據(jù)

(5)點云數(shù)據(jù)提取

基于分類后的激光點云數(shù)據(jù)，在海達三維點云瀏覽軟件中，結(jié)合CAD測圖軟件和全景影像數(shù)據(jù)，提取護欄、路肩、行車道、隔離帶、道路中線等關(guān)鍵點的三維信息，編制 1∶500線劃地形圖，如圖10所示。

圖10 線劃圖處理

(6)編制道路縱橫斷面圖

基于1∶500線劃地形圖，提取道路邊線、中線、隔離帶等路面特征點，根據(jù)道路中樁位置，利用緯地軟件，按照 200 m間隔精確提取道路橫斷面，自動生成道路縱橫斷面圖，如圖11所示。

圖11 路面特征點示意圖

4 精度驗證

本項目共布設(shè)控制點(靶標)共計49個，其中奇數(shù)控制點用于點云校正，偶數(shù)點用于精度復核，共計比對點49個。原始WGS84下，計算成果點位中誤差及高程中誤差分別為 ±23 mm和 ±28 mm；使用控制點糾偏并投影到深圳當?shù)刈鴺讼迪?，計算成果點位中誤差及高程中誤差分別為 ±21 mm和 ±25 mm；采用全站儀進行外業(yè)測量，并選取571個地物點進行對比驗證，其平面中誤差為 ±27 mm，高程中誤差 ±29 mm。符合《城市測量規(guī)范》第9.3.17條“地物點之間的間距中誤差不應大于 70 mm，高程中誤差不應大于 40 mm”的要求。

5 結(jié) 語

通過車載激光掃描系統(tǒng)在南坪快速路竣工測量中的應用，發(fā)揮了其在外業(yè)數(shù)據(jù)采集中機動、便捷、快速的優(yōu)勢，其優(yōu)缺點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)車載激光掃描系統(tǒng)能獲取高密度的激光點云數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)去噪與糾偏，數(shù)據(jù)精度能滿足道路竣工測量需要。但車輛無法到達交通不便區(qū)域，激光無法穿透擋墻、樹木等遮擋物，無法識別地面管井信息，因此，需用常規(guī)的測量方法進行補充測量。

(2)外業(yè)數(shù)據(jù)采集快，但線劃地形圖處理自動化程度不高，內(nèi)業(yè)工作周期長，影響整體工程進度。

(3)激光點云數(shù)據(jù)與全景影像融合后形成可量測全景影像，可實景再現(xiàn)現(xiàn)場情況，實現(xiàn)計算機全方位瀏覽和量測，方便規(guī)劃部門進行規(guī)劃復核。但現(xiàn)行道路竣工測量僅針對平面位置和高程數(shù)據(jù)進行復核，無法體現(xiàn)可量測全景影像的優(yōu)勢。

(4)目前軟硬件設(shè)備較為昂貴，軟件尚不成熟，前期投入大，單個項目成本較高。隨著科學技術(shù)的不斷進步，設(shè)備成本將會越來越低、軟件技術(shù)越來越成熟，車載激光掃描系統(tǒng)會有廣闊的應用前景。