趙鵬飛，雷婉南

(上海市測繪院，上海 200063)

1 引 言

2021年，《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》指出：“實(shí)施京滬、京港澳、長深、滬昆、連霍等國家高速公路主線擁擠路段擴(kuò)容改造，加快建設(shè)國家高速公路主線并行線、聯(lián)絡(luò)線，推進(jìn)京雄等雄安新區(qū)高速公路建設(shè)。新改建高速公路里程2.5萬公里”。在十四五期間，高速公路的改建工作將成為長期的重點(diǎn)性任務(wù)。在高速公路改建工作中，測繪工作是最基礎(chǔ)性、保障性的工作，但高速公路的改建不同于新建，一般要求在不影響或者盡量少影響高速公路運(yùn)行的情況下開展測繪工作，所以傳統(tǒng)測繪手段存在著無法滿足相關(guān)要求、作業(yè)效率低以及存在極大安全隱患的問題。

2015年6月，在《國務(wù)院關(guān)于全國基礎(chǔ)測繪中長期規(guī)劃綱要(2015-2030年)的批復(fù)》中，要求“構(gòu)建新型基礎(chǔ)測繪體系”；2016年8月國家發(fā)展改革委、原國家測繪地理信息局聯(lián)合印發(fā)《測繪地理信息事業(yè)“十三五”規(guī)劃》，將推進(jìn)新型基礎(chǔ)測繪體系建設(shè)作為十三五期間國家測繪地理信息事業(yè)發(fā)展的五大重點(diǎn)任務(wù)之一[1]。2017年11月，上海市被國家測繪地理信息局批準(zhǔn)為新型基礎(chǔ)測繪體系建設(shè)試點(diǎn)城市，上海市測繪院聯(lián)合武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和上海華測導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司在全國率先推出智能化全息測繪技術(shù)體系。上海市測繪院、武漢大學(xué)等單位的有關(guān)學(xué)者[1～3]對智能化全息測繪并進(jìn)行了相關(guān)深入的研究和實(shí)踐。

智能化全息測繪體系的構(gòu)想和建立給高速公路改建的測繪工作提供了解決途徑，本文將重點(diǎn)探討智能化全息測繪在高速公路改建中的應(yīng)用。

2 道路全息測繪

在智能化全息測繪中，數(shù)據(jù)的采集和處理是最關(guān)鍵步驟。智能化全息測繪融合多傳感器的空-天-地-地下立體化、組合式、全空間數(shù)據(jù)獲取技術(shù)體系已初步形成[1]。智能化全息測繪提出了綜合利用衛(wèi)星、無人機(jī)航測、激光雷達(dá)、傾斜攝影、移動(dòng)測量系統(tǒng)和探地雷達(dá)系統(tǒng)等多種地理信息數(shù)據(jù)的采集方法，獲取不同類型、不同場景的空間地理信息數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)室外、地上地下全空間全覆蓋，提升空間地理信息數(shù)據(jù)對復(fù)雜需求的滿足，提升數(shù)據(jù)采集效率和完整性，實(shí)現(xiàn)“按需測繪”。智能化全息測繪較之傳統(tǒng)測繪最大的優(yōu)勢在于“全息”，即能夠高效率、高精度采集全量要素的空間地理信息。在道路全息測繪中，使用車載三維激光雷達(dá)系統(tǒng)(也有文獻(xiàn)稱之為車載激光掃描系統(tǒng))進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[4～7]。

三維激光雷達(dá)系統(tǒng)是集成了三維激光掃描系統(tǒng)、相機(jī)系統(tǒng)和姿態(tài)定位系統(tǒng)的多傳感器集成測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)一般可安裝在飛機(jī)或車輛等載具上，能夠快速、海量采集數(shù)據(jù)，并按需求目標(biāo)進(jìn)行后期處理，獲取不同需求的成果，實(shí)現(xiàn)道路全息測繪的要求。三維激光雷達(dá)系統(tǒng)通過三維激光掃描系統(tǒng)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，相機(jī)系統(tǒng)采集全景影像，GNSS獲取載具的位置信息，IMU獲取姿態(tài)信息，經(jīng)過處理后獲取具有大地坐標(biāo)的點(diǎn)云、全息影像等數(shù)據(jù)。相比機(jī)載激光雷達(dá)，車載激光雷達(dá)距地表更近、掃描精度更高、點(diǎn)云密度更大，尤其適合道路相關(guān)的空間數(shù)據(jù)采集。

本文以華測導(dǎo)航公司的AS-900HL激光雷達(dá)系統(tǒng)為例(圖1)，該系統(tǒng)可以在飛行載體和車輛載體上安裝使用，快速采集海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)和高清影像數(shù)據(jù)。

圖1 華測AS-900HL系統(tǒng)

表1為華測AS-900HL系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)：

AS-900HL系統(tǒng)參數(shù) 表1

3 工程解決方案

上海滬金S4滬金高速公路是連接中心城區(qū)、閔行主城片區(qū)、奉賢、金山以及上海至浙江方向的快速通道。為提升S4公路北段的交通功能，并優(yōu)化閔行南部地區(qū)道路網(wǎng)系統(tǒng)，啟動(dòng)了S4公路(莘莊立交—金都路)改造工程。為了獲取S4公路的現(xiàn)狀情況，設(shè)計(jì)單位要求測繪單位對改造段進(jìn)行縱橫斷面測量，測區(qū)為約 4 km的高速公路(高架路)。常規(guī)的道路縱橫斷面測量方法有RTK、水準(zhǔn)儀、全站儀等方法[8]，但是S4公路目前承擔(dān)了繁重的交通運(yùn)輸任務(wù)，不可能通過全部封路開展道路測量，而部分封道開展測量工作不僅效率低且會影響交通，最重要的是測繪人員的安全無法得到保障。最終選擇了道路全息測量的方式來實(shí)現(xiàn)道路斷面測量。

S4公路改建工程的測繪工作流程如圖2所示：

圖2 項(xiàng)目工作流程

3.1 項(xiàng)目準(zhǔn)備

(1)收集測區(qū)基礎(chǔ)地形圖、正射影像圖等數(shù)據(jù)資料，了解測區(qū)范圍、測區(qū)概況、測區(qū)內(nèi)道路情況，以及測區(qū)內(nèi)有關(guān)控制點(diǎn)的情況，組織人員到測區(qū)現(xiàn)場進(jìn)行踏勘。編寫項(xiàng)目設(shè)計(jì)書，經(jīng)審批后執(zhí)行，組織人員培訓(xùn)。

(2)路線規(guī)劃，根據(jù)前期踏勘情況進(jìn)行采集路線規(guī)劃。采集路線規(guī)劃包括停車場的選擇和行車路線規(guī)劃。路線規(guī)劃應(yīng)保證測區(qū)內(nèi)待掃描道路的全覆蓋，并盡可能減少重復(fù)路段和無效路段的掃描。

(3)儀器設(shè)備的準(zhǔn)備。

3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集的步驟包括基站測設(shè)、設(shè)備安裝、通電測試、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備關(guān)機(jī)拆卸和數(shù)據(jù)導(dǎo)出等，圖3為外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程：

圖3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作流程

(1)GNSS基站用于外業(yè)掃描工作基準(zhǔn)點(diǎn)，距離施測區(qū)域距離不宜超過 5 km，最大距離不應(yīng)超過 15 km。本項(xiàng)目基站設(shè)置在測區(qū)附近，距S4公路的平均距離約為 4.2 km?；驹陂_始掃描前完成測設(shè)，基站施測滿足城市二等GNSS控制網(wǎng)的技術(shù)要求[9]。

(2)在掃描中，應(yīng)盡量控制車速，不能超過最高車速要求，一般要求高架等區(qū)域行駛速度不宜超過 60 km/h。

(3)為了保證數(shù)據(jù)的完整性并進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，對測區(qū)進(jìn)行了往返兩次掃描。

3.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理是在外業(yè)完成之后，對IMU、GNSS等各傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，獲取姿態(tài)定位，然后對點(diǎn)云進(jìn)行計(jì)算，最終得到符合要求的點(diǎn)云等成果數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)預(yù)處理一般包括基站數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、定位姿態(tài)解算、點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算、點(diǎn)云糾正檢查、點(diǎn)云重解、全景照片數(shù)據(jù)解算、點(diǎn)云著色、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等步驟。

(1)使用Inertial Explorer軟件進(jìn)行定位姿態(tài)解算，一般采用緊耦合(tightly coupled)的方式解算。

(2)點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算、點(diǎn)云糾正檢查、全景照片數(shù)據(jù)解算、點(diǎn)云著色等步驟均可在CoPre和CoRefin軟件下進(jìn)行。點(diǎn)云糾正點(diǎn)和檢查點(diǎn)施測不低于圖根點(diǎn)的精度。本項(xiàng)目測區(qū)全部位于高架，為作業(yè)條件良好的空曠地區(qū)，所以未布設(shè)糾正點(diǎn)。

(3)經(jīng)過處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是WGS84坐標(biāo)系，123°帶下的高斯平面直角坐標(biāo)和大地高成果，一般情況下需要轉(zhuǎn)換成上海城市坐標(biāo)系下成果。

圖4為S4公路預(yù)處理完成后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)：

圖4 預(yù)處理后的點(diǎn)云

完成預(yù)處理的點(diǎn)云等數(shù)據(jù)應(yīng)該無空洞、無分層，成果滿足精度要求[9]。

3.4 數(shù)據(jù)后處理

數(shù)據(jù)后處理，是通過對預(yù)處理后的點(diǎn)云等數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，計(jì)算目標(biāo)數(shù)據(jù)(本項(xiàng)目為計(jì)算道路縱橫斷面)的過程。本項(xiàng)目數(shù)據(jù)后處理包括點(diǎn)云抽稀、點(diǎn)云去噪、地面點(diǎn)分類、提取縱橫斷面點(diǎn)、人工加工等步驟。

(1)點(diǎn)云抽稀。由于車載激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)量極大，給后續(xù)的處理、存儲、使用都帶來了麻煩，所以可以對車載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的抽稀，以方便數(shù)據(jù)處理。

(2)點(diǎn)云去噪。在點(diǎn)云的實(shí)際測量過程中受到各種人為或環(huán)境因素的影響，使得測量結(jié)果包含噪聲。噪聲會影響后續(xù)數(shù)據(jù)處理的時(shí)間和質(zhì)量，因此需要在濾波前降低或消除噪聲。

(3)地面點(diǎn)分類。地面點(diǎn)自動(dòng)分類功能，可自動(dòng)濾除植被、房屋等非地面點(diǎn)，提高斷面處理的效率。

(4)自動(dòng)提取縱橫斷面點(diǎn)。首先導(dǎo)入道路中樁圖形文件或文本文件，然后在CoProcess軟件道路設(shè)計(jì)模塊件自動(dòng)提取道路橫、縱斷面特征點(diǎn)，如圖5所示：

圖5 點(diǎn)云提取縱橫斷面

(5)人工修整。由于無法完全過濾掉樹木、機(jī)動(dòng)車等無關(guān)物體，自動(dòng)生成的斷面還存一些誤差。所以還需要人工對斷面進(jìn)行進(jìn)一步判斷加工，使其與實(shí)際情況一致。圖6為某里程自動(dòng)生成的橫斷面圖和經(jīng)人工修整后的橫斷面圖：

圖6

最終可導(dǎo)出DMX、HDX、DAT等格式的斷面文件，滿足S4公路改建的要求。

4 精度評價(jià)

主要采用中誤差的方式對精度進(jìn)行評定，包括內(nèi)符合精度和外符合精度評價(jià)。

4.1 內(nèi)符合精度

通過往、返重復(fù)點(diǎn)云的同名點(diǎn)對比評價(jià)內(nèi)符合精度。在點(diǎn)云上均勻選取20個(gè)斷面，每個(gè)斷面選取20組同名點(diǎn)，共400組同名點(diǎn)來計(jì)算內(nèi)符合精度。按照等精度檢測公式計(jì)算內(nèi)符合精度：

上式中d為往、返點(diǎn)云同名點(diǎn)的距離，經(jīng)計(jì)算內(nèi)符合精度為 ±4.5 mm。

4.2 外符合精度

通過傳統(tǒng)測量方式實(shí)測同名點(diǎn)，和斷面成果對比評價(jià)外符合精度。由于S4公路測區(qū)大部分位于高架上，所以只能在匝道的位置選取了15組同名點(diǎn)進(jìn)行測量。這15個(gè)點(diǎn)的平面位置與斷面成果點(diǎn)相同，使用傳統(tǒng)的附和水準(zhǔn)線路的測量方式測出其高程，與斷面成果點(diǎn)進(jìn)行對比。外符合精度計(jì)算公式如下：

上式中h為點(diǎn)云斷面成果點(diǎn)的高程與實(shí)測同名點(diǎn)的高程之差，經(jīng)計(jì)算外符合精度為 ±32.4 mm。

由上可見，通過道路全息測繪得到的道路縱橫斷面測量成果，完全符合相關(guān)規(guī)范的精度要求[10]。

5 結(jié) 語

通過在上海S4滬金高速公路改建項(xiàng)目中的實(shí)踐應(yīng)用表明，智能化全息測繪能夠有效應(yīng)用在高速公路的改建工作中，并具有以下優(yōu)勢：

(1)作業(yè)效率高。本項(xiàng)目外業(yè)用時(shí)不到一天，內(nèi)業(yè)用時(shí)約兩天，這種效率是傳統(tǒng)道路測繪工作所不能企及的。

(2)采集要素全。全息測繪能夠采集道路海量的點(diǎn)云、影像等數(shù)據(jù)，獲取全量的空間地理信息要素。通過對全量要素的處理，不僅能測繪縱橫斷面，還能用于地形圖測繪、道路模型構(gòu)建、地面模型構(gòu)建以及特殊要素的采集等。

(3)極大降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。測繪人員不用再冒著生命風(fēng)險(xiǎn)到高速公路上測量，安全風(fēng)險(xiǎn)大大降低。

(4)不影響道路的交通運(yùn)行。不用封路或封道，對道路交通幾乎沒有影響。

智能化全息測繪為高速公路改建工程提供了一套有效的解決方案，本文提出的方法對類似項(xiàng)目有一定的借鑒意義，值得推廣應(yīng)用。道路全息測繪也存在一些不足之處：如設(shè)備成本較高、掃描存在盲區(qū)、衛(wèi)星信號影響成果精度等，這些問題需要進(jìn)一步研究解決。