王維波，周安發(fā)，李世偉，王 平，羅勝金

（1.湖北輝宏地理信息有限公司，湖北 武漢 430074；2.湖北省測繪成果檔案館，湖北 武漢 430074）

目前國內(nèi)關(guān)于車載激光掃描在公路中的應用，研究多集中于解決車載激光掃描外業(yè)測量[1-3]或內(nèi)業(yè)激光點云數(shù)據(jù)算法處理[4]，項目案例實踐上多集中于高速公路測繪或地形地貌較好地區(qū)的道路測繪[5]，針對高山、高海拔地區(qū)的研究應用案例較少。本文針對這一情況，借助西藏那曲地區(qū)某縣兩條公路地形地貌相似的特點，設計利用集成的車載激光掃描系統(tǒng)和傳統(tǒng)野外測繪兩種方法，實現(xiàn)縣道兩側(cè)各200 m 范圍內(nèi)道路地形數(shù)據(jù)的自動獲取和中樁、斷面測量，并根據(jù)項目施工測量過程，研究車載激光掃描技術(shù)流程和驗證車載激光掃描技術(shù)在道路測量應用中的技術(shù)優(yōu)勢和缺陷。

1 車載激光掃描系統(tǒng)組成和工作原理

車載激光掃描系統(tǒng)是一個多傳感器集成系統(tǒng)，主要由三維激光掃描儀、數(shù)碼相機、衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、慣性導航系統(tǒng)（IMU）、載車等部分組成[6]。其工作原理是在載車的頂部架上穩(wěn)固連接的三維激光掃描系統(tǒng)的傳感器部分，通過GPS 進行所載車輛的定位，取得原點大地坐標的精確數(shù)據(jù)，再通過IMU 進行車載激光掃描測量系統(tǒng)姿態(tài)測量，獲取大地坐標系的三維激光掃描儀偏航角、滾動角及高低角，進而通過激光掃描的方式對待測點逐點的進行掃描測量，獲得待測點相對測繪基準而言的方位角、高低角及距離，通過解算得到待測點的大地坐標數(shù)據(jù)，地物目標的屬性等信息通過數(shù)碼相機同步采集的圖像進行辨識[7]。車載激光掃描儀采集地形數(shù)據(jù)原理如圖1 所示。

2 實驗方案

2.1 實驗的儀器和性能

選用澳大利亞MaptekI-site8820 三維激光掃描儀，作為本次車載激光掃描試驗勘測儀器，該儀器具有內(nèi)置同步7 000 萬像素相機，2 km 的掃描距離，高速激光掃描器，能快速的獲取被測物體的三維信息，通過自帶的14 倍望遠鏡鏡頭進行后視和手持控制器進行操作掃描，可以大大提高外業(yè)工作效率和降低勞動強度。

圖1 車載激光掃描儀地形圖數(shù)據(jù)采集原理

MaptekI-site 8820 激光掃描儀的掃描勘測距離長，精準度高，防水、耐高壓、耐低溫性能，符合本項目勘測的要求。其主要技術(shù)性能指標如表1 所示。

表1 MaptekI-site8820 激光掃描儀技術(shù)性能指標

2.2 場地的選址和流程設計

為了對車載激光掃描測量系統(tǒng)在高海拔復雜地形情況下的精度指標和作業(yè)效率進行檢測和分析，研究以西藏那曲地區(qū)某縣兩條長度和地形地貌均相似的縣級道路X1（全長約150 km）、X2（全長約144.4 km）改擴建測量為例，在設計上X1 采用傳統(tǒng)測量作業(yè)方式，X2 采用新型車載激光掃描技術(shù)進行作業(yè)，以利于研究車載激光掃描技術(shù)應用于道路測量的作業(yè)流程和關(guān)鍵技術(shù)，并對比分析車載激光掃描技術(shù)相較傳統(tǒng)作業(yè)方式的優(yōu)勢和不足。設計總體工作流程如圖2 所示。

圖2 公路測量總體工作流程

2.3 實驗過程

2017 年8 月進場，確定勘測試驗場地，并布設首級GPS 控制網(wǎng)和四等水準網(wǎng)，在測區(qū)范圍內(nèi)共布設了15 個首級控制點，230 個點作為一級加密GPS 控制點，在點位選擇上主要考慮點位分布合理，密度均勻，而且便于直接使用。X2 線GPS 控制網(wǎng)中聯(lián)測了X1 線獨立坐標系下的D 級GPS 點3 個（G505，G506，G507）。沿線路平均15 km 布設一對首級控制點，同步觀測時間180 min，以便將GPS 定位結(jié)果轉(zhuǎn)換至地面坐標系時作為起算數(shù)據(jù)，控制測量從X1 線G505，G506，G507 為起點，沿DK，CK，BK，AK，LK 段的線路順序，到尼瑪鄉(xiāng)首級控制G500 結(jié)束。

X1 線路采用全野外數(shù)字測繪成圖方法，利用GPS-RTK 進行圖根控制測量和碎部點采集，經(jīng)外業(yè)采集、補測、檢測，采用南方CASS9.1 軟件，進行內(nèi)業(yè)編輯成圖。

為保證掃描數(shù)據(jù)的精度，將X2 線路項目工程分為AK 段50.422 km，BK 段33.58 km，CK 段6.553 km，DK 段23.618 km，LK 段12.541 km，進行分段掃描測量。由于每個工點只掃描了1 次，且各工點之間互相獨立，因此不存在點云塊之間的匹配連接問題。從點云到測繪成果的實現(xiàn)包括點云拼接、數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)精簡、地理測量、DEM 建模、縱橫斷面圖生成，整個數(shù)據(jù)處理采用隨機軟件包I-Site studio 軟件平臺進行處理。獲取的激光點云和1∶1 000 地形圖成果如圖3 和圖4所示。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)難點及解決辦法

2.4.1 測區(qū)交通條件較差

測區(qū)位于平均海拔4 700 m 的高原地區(qū)，最高處海拔超過5 000 m，現(xiàn)場空氣稀薄，地勢落差較大，氣候多變，一天中溫差巨大，加上測區(qū)交通條件較差，道路崎嶇顛簸，容易造成外業(yè)作業(yè)人員凍傷和缺氧。為了減少外業(yè)作業(yè)工作量和提高工作效率，保證施工進度，考慮采用無人機測繪技術(shù)和新型車載激光掃描技術(shù)，同樣因氣溫地下，氣候多變，航線落差較大，無法保證無人機的穩(wěn)定性型，難以進行高效的作業(yè)，經(jīng)實地實驗和技術(shù)路線研究分析，采用穩(wěn)定性更強的車載激光掃描技術(shù)，選用儀器工作溫度在-40 ℃～50 ℃，存儲溫度在-40 ℃～70 ℃，具備IP65級防塵、防水。

2.4.2 基準站布設

作業(yè)區(qū)未收集到國家級、省級控制點和水準點，無法利用已有的測量控制點作為起算點，采用多臺GPS靜態(tài)同步觀測的方法，埋設首級控制點，并在X1、X2線路建立相對獨立坐標系，坐標系采用與GPS 同步的WGS84 坐標系，3°帶，中央子午線為92°30′00″，投影面為4 700 m 測區(qū)平均高程面，以保證數(shù)據(jù)成果精度。

圖3 獲取的激光點云數(shù)據(jù)

圖4 X2 公路改擴建AK-LK 段地形圖（左）和局部放大圖（右）

2.4.3 激光掃描靶標布設

激光掃描儀坐標系與慣導坐標系的原點與坐標軸指向不完全一致，因此 GPS/IMU 組合定位定姿系統(tǒng)提供的位置與姿態(tài)不能直接用于車載激光點云的解算，在車載激光掃描系統(tǒng)正式投入使用前，需要對激光掃描儀坐標系與慣導坐標系之間的相對位置關(guān)系進行標定，通常通過三維控制點進行車載激光掃描系統(tǒng)的標定[8]。為了對車載激光掃描系統(tǒng)進行高精度的標定，在道路的兩側(cè)等間隔布設一對靶標點。

2.4.4 掃描盲區(qū)處理

激光測量的一大難點是測量的死角問題，將激光掃描儀安裝在移動車輛上，受車輛高度和掃描儀安裝位置的限制，激光掃描儀部分視場被遮擋，從而會產(chǎn)生一定的掃描盲區(qū)。同時道路的沿線交通工程設施，如護欄、廣告牌、橋梁等構(gòu)筑物的遮擋，也會產(chǎn)生一些激光掃描盲區(qū)，盲區(qū)會造成點云空洞。本研究為了保障掃描數(shù)據(jù)的完整性，作業(yè)時在車頂部抬高底座，提高激光掃描儀的安裝高度，設計上安裝2 個激光掃描探頭，采用沿道路雙向來回掃描，同時利用GPS-RTK補充采集漏洞區(qū)域，完成道路兩側(cè)地形圖的完整測繪，在DEM 構(gòu)建時，采用高程內(nèi)插的方式，內(nèi)插出盲區(qū)的DEM，以提高作業(yè)效率。

2.4.5 車載激光掃描數(shù)據(jù)的處理

車載激光測量系統(tǒng)具有測量速度快、精度高等優(yōu)點，但也存在非連續(xù)覆蓋和數(shù)據(jù)量巨大等缺點，阻礙了數(shù)據(jù)解算處理、傳輸和進一步應用。掃描的激光點云數(shù)據(jù)具有冗余性主要表現(xiàn)在：一是含有較多的重復數(shù)據(jù)，同一位置含有多次掃描的數(shù)據(jù)；二是含有較多的多余數(shù)據(jù)，如建筑物只需提取墻體邊緣的點云數(shù)據(jù)，不需要墻面中間的部分；三是點云數(shù)據(jù)因受到環(huán)境等因素的影響而出現(xiàn)噪聲點，產(chǎn)生不屬于掃描目標本身的冗余數(shù)據(jù)。因此對掃描后的數(shù)據(jù)處理需進行必要的平滑與去噪及精簡處理，本文借助I-Site studio 軟件設計的點云解算、處理算法，對外業(yè)采集的數(shù)據(jù)進行自動處理。

2.4.6 成果精度評價

在測量中成果精度評價主要采用中誤差的方式。本文公路施工設計對測量數(shù)據(jù)精度提出了較高的要求，如何保證測量數(shù)據(jù)的精度，以及如何對成果進行精度平差，設置那些評價指標，對本文成果的控制和研究結(jié)論至關(guān)重要。本文成果精度平差的指標設定為控制測量平面位置中誤差、高程中誤差檢查，地形圖圖根點中誤差和數(shù)據(jù)采集完整性檢查，中樁、橫斷面精度檢查。車載激光掃描技術(shù)和GPS-RTK 測繪技術(shù)成果比較，設置人員投入、儀器投入、成本投入、作業(yè)繁瑣程度、成圖精度等指標，比較驗證新技術(shù)在效率、精度以及資金投入方面的情況。

2.5 實驗結(jié)果

1）利用新型車載激光掃描技術(shù)，獲取道路的中樁、斷面測量及帶狀地形圖測繪成果，經(jīng)過實測控制測量點坐標與點云坐標比較檢查，一共測量了200 個控制點，平均中誤差0.039 m，高程平均誤差0.31 m。在1∶1 000 地形圖精度檢查中，地物點相對于鄰近圖根點的點位中誤差為±4.7 cm，鄰近地物點間距中誤差為±6.7 cm，高程注記點相對于鄰近圖根點的高程中誤差為±5.8 cm。結(jié)果表明本次測量數(shù)據(jù)誤差均在規(guī)范要求范圍內(nèi)，將激光掃描測繪技術(shù)應用于1∶1 000帶狀道路測繪采集的數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)GPS-RTK、全站儀一樣是精確可靠的。

2）借助Maptek I-site8820 長距離三維激光掃描技術(shù)，在空間基準建立、靶標布設最優(yōu)方案設計、長距離激光掃描地物精度控制、點云數(shù)據(jù)自動處理、精度平差控制等技術(shù)上進行研究設計，快速獲取了X2 km兩側(cè)各200 m 范圍內(nèi)地形、地貌激光點云數(shù)據(jù)，并通過配備的Maptek I-Site Studio 內(nèi)業(yè)處理軟件，實現(xiàn)了激光測繪超遠距離地形數(shù)據(jù)的快速獲取。

3）依據(jù)實驗設計的評價指標，車載激光掃描在人員投入、人員設備安全、成本投入、作業(yè)效率等方法面具有較大的優(yōu)勢，但是目前存在儀器成本較高、后期數(shù)據(jù)處理工作量較大、電腦配置要求較高、存在掃描盲區(qū)、掃描精度受基站范圍約束等缺點，總體上表明，將車載激光掃描技術(shù)應用于公路測量在成本控制和效率上優(yōu)勢將日趨明顯。

3 結(jié) 語

1）針對西藏那曲某縣高海拔缺氧，氣溫低氣候多變、現(xiàn)場交通條件差特點，制定了兩種測量技術(shù)方案，既降低了人工作業(yè)的難度，又提高了作業(yè)效率和精度，較好地滿足了道路規(guī)劃設計、施工測量的需要。

2）研究了車載激光掃描技術(shù)應用于道路改擴建測量的方法和關(guān)鍵技術(shù)難點的解決方案，既實現(xiàn)了激光點云數(shù)據(jù)的快速獲取，又提高了點云精度的控制。

3）設計兩條相似作業(yè)環(huán)境的縣級道路為對比，比較分析采用常規(guī)GPS-RTK、全站儀測量方法和車載激光掃描方法，在人工、儀器投入、作業(yè)效率、成果精度等方面的成本和效率，實驗研究成果針對性強，實用價值高，驗證結(jié)果可以作為國內(nèi)類似項目的參考依據(jù)。

4）推動了車載激光掃描技術(shù)在國內(nèi)道路測量中的應用，實現(xiàn)了車載激光掃描技術(shù)在高海拔、氣候多變地區(qū)的道路測量，發(fā)揮了以點帶面的示范作用，對高海拔地區(qū)、特殊地形地貌地區(qū)的道路測量以及全國其他城市的道路測量工作具有一定的借鑒意義。