蔣明秀 陳輝

（浙江省測繪科學(xué)技術(shù)研究院 浙江杭州 311100）

1 引言

錢塘江海塘歷史悠久，位于錢塘江河口地區(qū)兩岸，是人工修建的擋潮堤壩，它是錢塘江河口地區(qū)抗御洪潮的重要屏障，承載著巨大的歷史和文件價(jià)值，時(shí)至今日，依然發(fā)揮著作用。采用傳統(tǒng)的測繪方式對(duì)海塘進(jìn)行測量，耗時(shí)長、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性差，同時(shí)野外采集的點(diǎn)位稀少，很難反應(yīng)海塘工程的細(xì)致變化。

三維激光掃描技術(shù)是繼GPS空間定位技術(shù)之后又一項(xiàng)測繪技術(shù)突破，已經(jīng)在測繪裝備領(lǐng)域掀起了又一場技術(shù)革命。移動(dòng)測量系統(tǒng)即移動(dòng)測圖系統(tǒng)（Mobile Mapping System，MMS），是當(dāng)今測繪界最為前沿的科技之一[1]，具有主動(dòng)測量、非接觸、快速獲取、高效率等特點(diǎn)，已成為獲取高分辨率空間信息的一種重要技術(shù)手段，在數(shù)字城市、大比例尺測圖及質(zhì)檢、公路竣工測量、地理國情普查、三維建模、海島礁測量等方面得到了成功應(yīng)用[2-10]，目前移動(dòng)測量系統(tǒng)的研究與應(yīng)用是國內(nèi)外的熱點(diǎn)。本文結(jié)合移動(dòng)測量系統(tǒng)的原理，通過車載和船載移動(dòng)測量系統(tǒng)對(duì)錢塘江海塘工程的測量，研究移動(dòng)測量系統(tǒng)在海塘中的應(yīng)用。

2 移動(dòng)測量系統(tǒng)

移動(dòng)測量系統(tǒng)是通過移動(dòng)平臺(tái)（飛機(jī)、汽車、艦船等）搭載的由多傳感器集成的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要由供電控制單元、數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理軟件等構(gòu)成，其中傳感器主要有兩種，一種是位姿傳感器，包括GNSS、IMU（慣性測量單元），兩者組成了POS系統(tǒng)（定位定姿系統(tǒng)），車載移動(dòng)測量系統(tǒng)還有DMI（車輪編碼器）；另外一種是空間數(shù)據(jù)采集傳感器，如激光掃描儀、相機(jī)等。

系統(tǒng)各個(gè)傳感器通過機(jī)械結(jié)構(gòu)集成為一體，為獲取高精度的數(shù)據(jù)，必須對(duì)移動(dòng)測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，精確的系統(tǒng)標(biāo)定是對(duì)各傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的前提，也直接關(guān)系到后續(xù)處理的精度，它也是系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過系統(tǒng)標(biāo)定以獲取各傳感器之間的相對(duì)位置關(guān)系并建立嚴(yán)格的幾何關(guān)系。在移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過程中，激光掃描儀測量記錄了目標(biāo)地物的角度和距離數(shù)據(jù)，IMU記錄了車輛行駛的實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)，GNSS記錄了車輛行駛的實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)，DMI則記錄了車輛行駛的里程數(shù)據(jù)，用于輔助系統(tǒng)位置的解算，通過POS系統(tǒng)實(shí)時(shí)完成對(duì)系統(tǒng)的定位定姿；影像用于獲取目標(biāo)地物的影像。系統(tǒng)以GPS時(shí)間為主線，通過相互間關(guān)系最終可以獲取所測目標(biāo)的帶有絕對(duì)坐標(biāo)信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和帶有姿態(tài)的影像數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)是對(duì)外界環(huán)境最準(zhǔn)確、最真實(shí)的還原，展現(xiàn)了被測目標(biāo)的原貌。

3 應(yīng)用實(shí)例

測區(qū)是位于杭州市江干區(qū)的錢塘江海塘，長度約3km，本次利用SSW移動(dòng)測量系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)，流程大致分為：外業(yè)數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、成果生產(chǎn)，具體流程如圖1所示：

圖1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集及處理流程

3.1數(shù)據(jù)采集

經(jīng)實(shí)地踏勘，由于海塘路面有諸多限高，常規(guī)的移動(dòng)測量系統(tǒng)并不能連續(xù)而順利的掃描，因此采用了微型車載移動(dòng)測量系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)，微型車載移動(dòng)測量系統(tǒng)是將常規(guī)車載移動(dòng)測量系統(tǒng)的掃描設(shè)備安裝到小三輪車上進(jìn)行掃描測量的系統(tǒng)。沿岸地帶，在使用車載移動(dòng)測量系統(tǒng)時(shí)未能完整掃描其數(shù)據(jù)，因此使用了船載移動(dòng)測量系統(tǒng)，兩者使用的是同一套系統(tǒng)，移動(dòng)平臺(tái)的更換并不需要重新檢校。

在測量作業(yè)開始前，架設(shè)GNSS基準(zhǔn)站以提供差分處理數(shù)據(jù)，按照事先規(guī)劃的路線進(jìn)行往返車載掃描，往掃和返掃時(shí)車輛在海塘路面不同側(cè)行駛采集數(shù)據(jù)。船載掃描時(shí)離岸距離小于100m，盡量貼近岸邊，同樣進(jìn)行往返掃。車載與船載配合掃描最大限度保證數(shù)據(jù)無盲區(qū)，外業(yè)采集獲得的數(shù)據(jù)包括GNSS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)、GNSS流動(dòng)站數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)、DMI數(shù)據(jù)、原始激光數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)。

3.2數(shù)據(jù)處理

通過標(biāo)定獲得的各傳感器之間的相對(duì)位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)可以認(rèn)為在一定時(shí)間段內(nèi)是穩(wěn)定不變的[11]，因此可以直接用標(biāo)定所獲取的相對(duì)位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)等參數(shù)進(jìn)行下一步的點(diǎn)云處理。

（1）點(diǎn)云生成。

首先對(duì)兩次獲得的各傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理工作，包括原始激光數(shù)據(jù)解碼，POS數(shù)據(jù)解算、影像姿態(tài)計(jì)算等。預(yù)處理工作完成后利用標(biāo)定參數(shù)對(duì)獲取的激光數(shù)據(jù)、POS定位定姿數(shù)據(jù)以及目標(biāo)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終解算出基于WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于移動(dòng)測量系統(tǒng)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)擁有絕對(duì)坐標(biāo)，因此船載掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以直接與車載激光掃描的數(shù)據(jù)無縫接合，而不需要點(diǎn)云拼接處理工作。

（2）點(diǎn)云濾波。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在由于被測物體的材料性質(zhì)、外界干擾等因素的影響而不可避免產(chǎn)生的噪聲點(diǎn)，以及植被等各種非地面點(diǎn)，因此需要進(jìn)行地面點(diǎn)濾波。本文采用一種基于TIN（不規(guī)則三角網(wǎng)）的漸進(jìn)加密算法。該方法是把原始解算出的三維激光點(diǎn)云以格網(wǎng)分割，對(duì)每個(gè)格網(wǎng)建立索引，并對(duì)比統(tǒng)計(jì)每個(gè)格網(wǎng)內(nèi)的最低點(diǎn)，并將這些最低點(diǎn)作為種子地面點(diǎn)，通過這些種子點(diǎn)建立初始TIN模型，然后通過濾波參數(shù)（迭代角和迭代距離）不斷向上加密該TIN模型，以此提取新的地面點(diǎn)。在所有點(diǎn)進(jìn)行濾波后，依舊有部分非地面點(diǎn)被歸為地面點(diǎn)，此時(shí)通過人工方法將部分自動(dòng)濾波無法分類或分類錯(cuò)誤的進(jìn)行精化處理，得到最后的地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 濾波后的地面點(diǎn)云（局部）

3.3成果生產(chǎn)

（1）DEM制作

DEM的生成是建立在已經(jīng)濾波處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，采用TIN插值方法內(nèi)插生成所需要的DEM數(shù)據(jù)，成果圖如圖3所示。

圖3 生成的DEM（局部）

（2）斷面線提取

基于DEM數(shù)據(jù)自動(dòng)生成海塘斷面，是通過海塘路面中心線生成的垂直于中心線的斷面，兩斷面之間是同一間距的。斷面提取精度與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的密度有很大的相關(guān)性，點(diǎn)云密度越大，提取的特征點(diǎn)越多，提取的斷面越準(zhǔn)確[12]。圖4所示即是斷面線提取結(jié)果，通過該斷面能夠充分了解海塘及周邊一定范圍地物在垂直于海塘路面中心線方向上的高程信息。

圖4 海塘斷面提取結(jié)果（局部）

3.4分析評(píng)價(jià)

為進(jìn)一步檢驗(yàn)移動(dòng)測量數(shù)據(jù)的精度，選取GNSS RTK實(shí)測地面點(diǎn)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，選取95個(gè)實(shí)測地面點(diǎn)與斷面數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，統(tǒng)計(jì)其高差中誤差，最終統(tǒng)計(jì)的高差中誤差為0.091m。中誤差按下式計(jì)算∶

其中，M為成果中誤差；n為檢測點(diǎn)（邊）總數(shù)；Δi為較差。

檢測結(jié)果表明斷面成果穩(wěn)定可靠。通過數(shù)據(jù)分析可知，高差中誤差主要受到兩方面的影響：一是地面植被的影響，對(duì)于成片的地面低矮植被，在進(jìn)行點(diǎn)云地面濾波時(shí)很難有效剔除，造成對(duì)后期數(shù)據(jù)的影響；二是掃描盲區(qū)的影響，遮擋引起的掃描盲區(qū)，激光點(diǎn)無法測量到，產(chǎn)生了直接影響，同時(shí)由于在構(gòu)建DEM時(shí)，需要利用周圍的數(shù)據(jù)對(duì)盲區(qū)的高程值進(jìn)行內(nèi)插，因此一定程度上降低了斷面的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

作為一種新型測繪技術(shù)手段，移動(dòng)測量系統(tǒng)展現(xiàn)了其快速、高效的數(shù)據(jù)獲取方式，本文通過探索移動(dòng)測量系統(tǒng)在錢塘江海塘工程的應(yīng)用研究，提出通過多平臺(tái)搭載移動(dòng)測量系統(tǒng)獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)生產(chǎn)DEM及斷面圖，最終提取的數(shù)據(jù)能夠滿足要求。試驗(yàn)表明通過移動(dòng)測量系統(tǒng)能有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測繪方式的不足，通過行駛掃描瞬間即可獲得掃描軌跡兩側(cè)的高密度、高精度三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后依據(jù)這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)生產(chǎn)海塘DEM及斷面成果，這種數(shù)據(jù)生產(chǎn)方式，能更直觀更真實(shí)地反映海塘的實(shí)際情況，同時(shí)有效解決了傳統(tǒng)斷面測量與DEM技術(shù)勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性差、效率低、信息損失大等局限性，與傳統(tǒng)測量方法比較具有一定的優(yōu)勢(shì)，若是將其與水下地形測量相結(jié)合，進(jìn)行水上水下一體化測量，則在江河海的相關(guān)應(yīng)用中具有更廣泛的前景。