牟春霖

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300251)

1 概述

城市軌道交通建設(shè)初期，需要對影響軌道交通設(shè)計方案的沿線控制工點、地形等進行勘測，傳統(tǒng)的測量方式為人工手持RTK、全站儀等設(shè)備進行實地測量，雖然精度較高，但存在作業(yè)效率低、安全風險大等缺點。

一般情況下，城市軌道交通沿線經(jīng)濟發(fā)達，地貌、地物極為復(fù)雜，植被茂密，樓宇縱橫，依靠傳統(tǒng)人工測量手段難度極大，在川流不息的車流間施測也存在諸多安全隱患。 因此，傳統(tǒng)測量手段已無法滿足現(xiàn)階段的勘測需求[1]。

車載雷達技術(shù)打破了常規(guī)作業(yè)手段的弊端，將車載激光雷達設(shè)備搭載于汽車頂部，集成全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、激光掃描儀、數(shù)碼相機等多種傳感器，汽車在行駛過程中能夠快速獲取沿線控制工點、地形的海量三維激光點云和數(shù)字影像數(shù)據(jù)，其測量效率是傳統(tǒng)測量手段的十幾倍甚至近百倍，大大降低了勘測項目的成本。 已有許多學(xué)者進行了相關(guān)研究，張麗軍等對激光雷達在高速公路擴建勘測中的應(yīng)用進行探討，認為LiDAR 技術(shù)可以在不影響高速公路交通流的情況下高效獲取精確的道路路面三維信息[2]；王曉凱等對車載激光雷達技術(shù)在鐵路復(fù)測中的應(yīng)用進行研究[3-4]；杜兆宇對移動三維激光掃描系統(tǒng)在鐵路限界測量中的應(yīng)用進行研究，認為利用車載激光雷達技術(shù)進行鐵路限界測量，不僅作業(yè)強度低，精度可靠，而且能夠極大提高工作效率[5]；張麟對車載移動三維激光掃描技術(shù)的高程精度進行研究，并利用布設(shè)控制地面點的方式對車載激光雷達點云數(shù)據(jù)進行糾正[6]。

從車載激光雷達技術(shù)的應(yīng)用來看，其在城市軌道交通勘測的應(yīng)用研究相對較少。 以某城市軌道交通勘測為例，利用七參數(shù)法[7-9]及投影變換將車載激光點云數(shù)據(jù)的坐標系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)換并統(tǒng)一到城市軌道交通坐標基準下，與傳統(tǒng)的RTK 及全站儀等測量數(shù)據(jù)進行對比和分析，對車載激光雷達技術(shù)在城市軌道交通勘測中的應(yīng)用進行研究。

2 數(shù)據(jù)獲取

2.1 車載系統(tǒng)構(gòu)成及參數(shù)

車載激光雷達系統(tǒng)由以下幾個部分組成:2 個三維激光掃描儀、全景相機、GNSS/IMU 定位與定姿系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。

(1)三維激光掃描儀

單頭三維激光掃描儀的最大有效測量速率為80 萬個點/s，600 條掃描線/s，雙頭掃描最大有效測量速率為160 萬個點/s，1 200 條掃描線/s，測量精度約5 mm。

(2)全景相機

全景相機型號為Ladybug5，該相機集成了5 臺側(cè)面和1 臺頂部的高清CCD 相機，6 臺相機固定在一個防塵防水的金屬殼中，相機分辨率為30MP(3000 萬像素)，傳輸幀數(shù)為10 fps/s。

(3)GNSS/IMU 定位定姿系統(tǒng)

車載系統(tǒng)采用的GNSS/IMU 定位定姿系統(tǒng)產(chǎn)品型號為Applanix POS LV 620，主要包括慣性測量單位(IMU)、POS 計算機系統(tǒng)、GNSS 接收機及距離測量裝置(DMI)。 GNSS/IMU 定位定姿系統(tǒng)測量精度為平面0.02 m、高程0.05 m，橫滾與俯仰角度精度0.005°、航向精度0.015°。

(4)控制系統(tǒng)

車載激光雷達的控制系統(tǒng)主要用于激光掃描儀、全景相機及GNSS/IMU 定位定姿系統(tǒng)的作業(yè)控制。

2.2 系統(tǒng)檢校與標定

在長途運輸過程中，為了保證車載激光雷達設(shè)備的安全，需將整個設(shè)備拆分裝箱，到達現(xiàn)場時再將設(shè)備重新組裝，設(shè)備可安裝在車頂剛性平臺上(如圖1 所示)。

圖1 設(shè)備安裝

設(shè)備的原標定參數(shù)在重新組裝后已經(jīng)失效，需要重新進行系統(tǒng)檢校，系統(tǒng)檢校流程如下。

(1)在項目現(xiàn)場附近找一個十字路口，其周邊必須有眾多建筑物且墻面為平面，檢校場需有良好的GNSS 衛(wèi)星信號覆蓋，在距離檢校場小于5 km 的開闊地帶布設(shè)一臺GNSS 基站。

(2)沿著檢校場十字路口的兩條道路進行往返掃描，為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，汽車在行進過程中盡量保持勻速行駛，速度控制在20～30 km/h。

(3)基于地面GNSS 基站數(shù)據(jù)，利用專業(yè)軟件對檢校場數(shù)據(jù)進行解算，計算得到系統(tǒng)標定參數(shù)，系統(tǒng)標定參數(shù)主要包括慣導(dǎo)相位中心、掃描儀相位中心、GNSS 接收機、里程計(DMI)中心等之間的相對位置關(guān)系。

2.3 點云數(shù)據(jù)獲取

均勻選取測量區(qū)域內(nèi)的多個控制點，在控制點上架設(shè)GNSS 基站，為保證GNSS 信號的穩(wěn)定性與連續(xù)性，原則上每間隔10 km 布設(shè)1 臺GNSS 基站，作為數(shù)據(jù)解算的基準，基站需滿足以下要求。

(1)GNSS 基站采樣間隔設(shè)置為1 s，衛(wèi)星截止高度角設(shè)置為15°， 觀測衛(wèi)星的星座選擇 GPS +GLONASS。

(2)GNSS 基站不能設(shè)在周圍有大型水域或信號遮擋嚴重的區(qū)域。

(3)每次掃描前，GNSS 基站應(yīng)提前0.5 h 開機，使得基站接收的GNSS 信號穩(wěn)定。

(4)移動三維激光掃描一般至少持續(xù)6 h，故每個GNSS 地面基站必須配置電瓶、電源線，或者外接電源等，以保證GNSS 地面基站能長時間工作，保證三維激光掃描數(shù)據(jù)的精度。

在正式掃描開始前，需將設(shè)備初始化，初始化時間需大于5 min，將掃描儀的掃描點頻設(shè)置為50 萬個點/s，線頻設(shè)置為400 條掃描線/s，掃描開始時將車載激光雷達設(shè)備的POS 系統(tǒng)與GNSS 基站進行同步觀測，汽車在行進過程中盡量保持勻速行駛，車速一般控制在50 ～80 km/h，當汽車停止行進時(如遇紅綠燈路口)，將三維激光掃描儀暫停掃描，再次行進時啟動三維激光掃描儀。

3 數(shù)據(jù)處理及坐標轉(zhuǎn)換

3.1 軌跡線解算

基于GNSS 基站接收機數(shù)據(jù)，利用POSPAC 軟件對車載激光雷達掃描系統(tǒng)的POS 數(shù)據(jù)進行解算。 在解算時，輸入GNSS 基站的WGS-84 大地坐標，利用軟件對GNSS 基站數(shù)據(jù)、慣導(dǎo)數(shù)據(jù)、里程計(DMI)數(shù)據(jù)、設(shè)備GNSS 接收機數(shù)據(jù)進行聯(lián)合平差處理，解算得到WGS-84 坐標系統(tǒng)下的軌跡線數(shù)據(jù)成果。

3.2 點云數(shù)據(jù)糾正

由于車載激光雷達掃描系統(tǒng)獲取的原始點云數(shù)據(jù)存在系統(tǒng)偏差，將基于POSPAC 軟件解算的軌跡線數(shù)據(jù)和系統(tǒng)檢校參數(shù)，利用專業(yè)軟件(Optech LMS 軟件)對原始點云數(shù)據(jù)進行糾正，輸出WGS-84 平面坐標系下的最終LAS 點云。

點云數(shù)據(jù)解算及糾正過程如下。

(1)新建工程，選擇作業(yè)區(qū)域的坐標系統(tǒng)、投影及度帶信息(如WGS-84 坐標系統(tǒng)、UTM 投影、50°帶)。

(2)添加檢校參數(shù)，將車載系統(tǒng)的檢校參數(shù)導(dǎo)入LMS 軟件中，在后續(xù)點云數(shù)據(jù)解算時對原始點云進行糾正。

(3)LiDAR 數(shù)據(jù)預(yù)處理，LMS 軟件是基于雙頭掃描儀的同名面為基礎(chǔ)進行平差解算的，故在軟件中首先要設(shè)置同名面的提取大小及精度。

(4)LiDAR 數(shù)據(jù)平差解算，雙頭掃描儀同名面提取后，設(shè)置平差參數(shù)，利用軟件的平差功能對點云進行平差解算，并輸出最終LAS 格式的點云數(shù)據(jù)。

3.3 坐標轉(zhuǎn)換

由3.2 節(jié)可知，車載激光雷達掃描系統(tǒng)解算后的點云坐標為WGS-84 坐標系下的平面坐標，而城市軌道交通工程一般為地方獨立坐標，為滿足城市軌道交通勘測成果的需要，在進行點云數(shù)據(jù)后處理之前，需要將點云坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到城市軌道交通坐標基準下，轉(zhuǎn)換流程如下。

(1)七參數(shù)解算

七參數(shù)即兩個坐標系統(tǒng)之間的三個平移參數(shù)ΔX0、ΔY0、ΔZ0，三個旋轉(zhuǎn)角度ωX、ωY、ωZ和一個尺度比m，其數(shù)學(xué)模型為[10-11]

上述公式適用于兩個不同空間直角坐標系的轉(zhuǎn)換[10-12]。

式(1)、式(2)為布爾莎模型，通常只適用于小旋轉(zhuǎn)角的七參數(shù)變換。 而城市軌道交通勘測項目中可能存在大旋轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換的問題，故需要通過中心化方法[13]實現(xiàn)布爾莎七參數(shù)嚴密解算模型。

設(shè)兩套空間直角坐標系有n 個公共點，將公共點的n 個方程相加并取平均，有

一般來說，應(yīng)至少選取兩套坐標的3 個公共點進行七參數(shù)的解算，而使用4 個及更多公共點時可得到更多的多余觀測值，解算精度較高[14]。 當使用的公共點少于6 個時，高程擬合模型為平面擬合；當公共點數(shù)量多于6 個時，高程擬合模型為曲面擬合，可以保證獲得更高的高程測量精度[15]。

為保證七參數(shù)轉(zhuǎn)換精度，均勻選取某城市軌道交通32 個公共點作為七參數(shù)計算的轉(zhuǎn)換基準，剩余未參與七參數(shù)解算的8 個點作為檢核點，以此來驗證七參數(shù)的轉(zhuǎn)換精度，如表1 所示。

表1 七參數(shù)轉(zhuǎn)換精度對比 mm

從表1 可以看出，利用均勻選取的控制點進行七參數(shù)轉(zhuǎn)換后，X、Y、Z 三個分量的坐標精度分別優(yōu)于10 mm、8 mm 及5 mm，三個分量的RMS 分別為5.8 mm、3.8 mm 及2.0 mm，說明七參數(shù)轉(zhuǎn)換精度能夠滿足城市軌道交通勘測精度的要求。

(2)投影變換

為滿足城市軌道交通線路施工的需求，需將車載激光雷達技術(shù)掃描的點云坐標進行投影變換。

車載激光雷達技術(shù)掃描的點云數(shù)據(jù)坐標為WGS-84 坐標系的橫軸墨卡托投影(UTM 投影)，而城市軌道交通勘測成果為獨立施工坐標系統(tǒng)的高斯克呂格投影(TM 投影)，利用專業(yè)軟件(如MicroStation)進行投影變換。

在軟件中分別輸入城市軌道交通坐標系的橢球參數(shù)、七參數(shù)及中央子午線等信息，再建立轉(zhuǎn)換基準進行投影變換。

本項目解算的點云數(shù)據(jù)坐標系統(tǒng)及投影信息為:UTM 投影東經(jīng)117°帶下的WGS-84 平面坐標(即WGS-84 UTM ZONE-50N)，而城市軌道交通坐標系統(tǒng)及投影信息為:TM 投影114°帶下的北京54 平面坐標。 在軟件中將轉(zhuǎn)換前后的坐標系統(tǒng)設(shè)置完成后，將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中，選擇建立的轉(zhuǎn)換基準即可對點云數(shù)據(jù)進行投影變換，轉(zhuǎn)換完成后輸出城市軌道交通坐標系統(tǒng)下的LAS 格式點云數(shù)據(jù)。

4 精度對比及分析

為了分析車載激光雷達技術(shù)獲取激光點云的坐標精度，將進行坐標轉(zhuǎn)換后的點云坐標與RTK 及全站儀實測數(shù)據(jù)進行對比。

在激光點云中選擇明顯的目標點，如斑馬線轉(zhuǎn)角、花壇角、房角等(如圖2 所示)，利用專業(yè)軟件(如CloudCompare)將目標點的平面坐標及高程值輸出，與RTK 及全站儀實測數(shù)據(jù)進行對比。

圖2 點云坐標檢核點選取

在城市軌道交通勘測項目中，由于現(xiàn)場控制工點較多，測量區(qū)域較為分散，各個測區(qū)掃描成果并不是在同一天進行測量的，應(yīng)選擇不同測區(qū)、不同時段掃描數(shù)據(jù)的多個檢核點進行系統(tǒng)誤差和測量精度的對比和分析，統(tǒng)計結(jié)果如圖3 和表2 所示。

圖3 點云坐標精度統(tǒng)計

從表2 和圖3 的統(tǒng)計結(jié)果來看，不同測區(qū)、不同時段的測量成果間未見明顯的系統(tǒng)誤差，說明利用車載激光雷達技術(shù)獲取的測量成果內(nèi)符合精度較好，可以滿足實際生產(chǎn)的需求。

從表2 和圖3 可以看出，車載激光雷達技術(shù)獲取的點云數(shù)據(jù)x 坐標分量精度均優(yōu)于50 mm，y 坐標分量精度均優(yōu)于50 mm，高程分量精度均優(yōu)于60 mm，三個分量的RMS 分別為30.6 mm、28.9 mm 和42.4 mm，說明車載激光雷達技術(shù)獲取的測量成果能夠滿足城市軌道交通勘測項目對于精度的要求。

表2 點云坐標精度對比分析

5 成果應(yīng)用

基于車載激光雷達技術(shù)獲取的點云數(shù)據(jù)，利用專業(yè)軟件(如CloudCompare)對影響城市軌道交通線路走向的控制工點及地形圖進行繪制，不僅可以節(jié)省大量的外業(yè)測量工作，而且大大降低了外業(yè)測量風險。

圖4 為采用車載激光雷達技術(shù)掃描的點云數(shù)據(jù)，從圖4 可以看出，點云中地形、地物信息豐富，可以利用專業(yè)軟件(如CloudCompare)對點云中的道路等進行繪制，輸出CAD 格式的坐標成果。 圖5 為利用激光點云數(shù)據(jù)繪制的某高速公路地形成果，從圖5 可以看出，繪制的地形成果道路邊界明顯，地物標識清晰，能夠滿足實際生產(chǎn)的需求。

圖4 車載激光雷達點云

圖5 某高速公路地形(單位：m)

將基于車載激光雷達技術(shù)獲取的點云數(shù)據(jù)及全景影像數(shù)據(jù)進行融合，可得到彩色點云數(shù)據(jù)，實現(xiàn)城市軌道交通周邊環(huán)境范圍的三維場景建模(如車站周邊環(huán)境)，為城市軌道交通建設(shè)提供決策依據(jù)。

圖6 為采用車載激光雷達技術(shù)獲取的點云及全景影像數(shù)據(jù)融合后的彩色點云，從圖6 可以看出，融合后的彩色點云數(shù)據(jù)信息豐富，紋理、細節(jié)明顯，可為城市軌道交通建設(shè)中線路設(shè)計提供依據(jù)。

圖6 彩色點云數(shù)據(jù)

另外，在城市軌道交通建設(shè)的初測階段，測繪專業(yè)人員需根據(jù)設(shè)計專業(yè)(如線路、橋梁、路基等專業(yè))提出的測量任務(wù)進行現(xiàn)場施測，同一區(qū)域往往需要進行多次測量，造成了人員、設(shè)備的浪費，而利用車載激光雷達技術(shù)獲取的點云數(shù)據(jù)可實現(xiàn)一次掃描多次利用，減少了多次測量造成的人員、設(shè)備等的浪費。

6 結(jié)論

基于某城市軌道交通勘測項目，將車載激光雷達技術(shù)獲取的點云坐標系統(tǒng)進行七參數(shù)轉(zhuǎn)換，并利用現(xiàn)有控制點進行七參數(shù)轉(zhuǎn)換精度的對比分析。 結(jié)果表明，進行七參數(shù)轉(zhuǎn)換后，各控制點X、Y、Z 三個分量的坐標精度分別優(yōu)于10 mm、8 mm 及5 mm，三個分量的RMS 分別為5.8 mm、3.8 mm 及2.0 mm，說明七參數(shù)轉(zhuǎn)換精度能夠滿足城市軌道交通勘測項目對于坐標轉(zhuǎn)換精度的要求。

為了進一步分析坐標轉(zhuǎn)換和投影變換后的點云坐標精度，選取不同測區(qū)、不同日期掃描數(shù)據(jù)的多個檢核點，與RTK 及全站儀實測結(jié)果進行對比。 結(jié)果表明，利用車載移激光雷達技術(shù)獲得的測量成果無明顯系統(tǒng)誤差，能夠滿足實際生產(chǎn)的需求，坐標轉(zhuǎn)換后的三維激光點云數(shù)據(jù)平面坐標精度優(yōu)于50 mm，高程精度優(yōu)于60 mm，能夠滿足城市軌道交通勘測項目對于勘測成果的精度要求。

車載激光雷達技術(shù)具有高效率、高精度、多要素、多用途、大數(shù)據(jù)及真三維等特點，在城市軌道交通勘測中具有廣闊的應(yīng)用前景，但在GNSS 信號遮擋較為嚴重的區(qū)域(比如高樓密集區(qū))定位精度較低，而且掃描視角存在盲區(qū)，比如密林遮擋區(qū)域、排水溝的溝底、大面積水域等。

利用GNSS 基站作為控制點解算的點云精度雖然能夠滿足城市軌道交通勘測的應(yīng)用要求，但其平面精度為50 mm，高程精度為60 mm，無法滿足部分精度要求較高的項目生產(chǎn)需求，在進一步的研究中，應(yīng)在掃描區(qū)域布設(shè)一定數(shù)量的標靶控制點，探索利用靶標控制點提高車載雷達技術(shù)掃描精度的方法。