張傳帥，趙 路，來平軍，劉一哲，韓紅濤

1. 自然資源部 第一地形測量隊，陜西 西安 710054；

2. 自然資源部 第一航測遙感院，陜西 西安 710054

0 引 言

移動測量系統(tǒng)是由若干子系統(tǒng)組成的復(fù)雜的高度集成系統(tǒng)，通常搭載在汽車移動平臺上，是當(dāng)今測繪界最為前沿的技術(shù)之一[1]，已在城市規(guī)劃、道路工程測繪、智能交通和數(shù)字城市等方面得到深入應(yīng)用[2]。北京四維遠(yuǎn)見的SSW系統(tǒng)應(yīng)用于城市部件測量[3]、IPS2應(yīng)用于高速公路測量[4]，華測多平臺移動測量系統(tǒng)應(yīng)用于城市道路建模[5]等。

基于電動三輪車平臺的輕便型移動測量系統(tǒng)，體積小，核心平臺可拆卸，便于攜帶和長距離運輸，在一定程度上擴展系統(tǒng)應(yīng)用場合，適應(yīng)街道狹窄、障礙物多、電網(wǎng)線路密集的隱蔽地區(qū)，以及較大、較高車輛通行困難的地下停車場、防空洞等空間環(huán)境。輕便型移動測量系統(tǒng)可快速獲取全面完整的空間三維信息，給常規(guī)、傳統(tǒng)的測量帶來新的突破[6]。

本文從實際使用出發(fā)，詳細(xì)介紹了輕便型移動測量系統(tǒng)可拆卸、便于攜帶、使用快捷[7]、安全可靠等特點，以及自主設(shè)計、加工、研制、檢校、測試的全過程，進一步說明基于電動三輪車平臺的輕便型移動測量系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

1 平臺選擇與設(shè)計加工

1.1 移動平臺選擇

輕便型移動測量系統(tǒng)可選平臺多種多樣（表1），通過比較分析，車型初步選定為三輪車。

表1 輕便型移動測量系統(tǒng)可選平臺Tab.1 Optional platforms for portable mobile measurement system

三輪車分為油動和電動兩種。油動三輪車動力強勁，但在城市中普遍管制嚴(yán)格，易出現(xiàn)上路難的問題。電動三輪車是以電瓶為主要動力，電機為驅(qū)動的拉貨或拉人用的運輸工具。電機采用直流串激牽引式有刷或無刷電機，內(nèi)部設(shè)有調(diào)速增力裝置，正常使用不易損壞，保證了輸出動力強勁。電動三輪車動力補充方便，是市場上最普遍的，也是最容易實現(xiàn)異地選購更換的。

1.2 研制方案評估與選定

為了更直觀地對基于電動三輪車的移動測量系統(tǒng)平臺方案進行評估，利用Trimble SketchUp 8建模軟件按照真實尺寸原比例搭建了電動三輪車三維模型，并在此基礎(chǔ)上擬定了5套方案（表2）。

表2 基于電動三輪車的輕便型移動測量系統(tǒng)平臺研制方案Tab.2 Development scheme of portable mobile measurement system platform based on electric tricycle

結(jié)合系統(tǒng)安全性、美觀程度、改裝成本、可拆卸性、便于攜帶、實用性、可操作性等方面的分析比對后，最終選定方案3作為基于電動三輪車的輕便型移動測量系統(tǒng)平臺整體方案。

1.3 機械設(shè)計與加工

機械設(shè)計與加工的主要工作包括車頂平臺與車輪編碼系統(tǒng)輪盤的設(shè)計與加工，以及箱體封裝、車輛加固處理等。車頂平臺包括一體機安置平臺和相機支柱立桿安置平臺兩部分，其中，一體機安置平臺由4部分組成，包括鋼架立體箱體、頂 部鋼板與鋁板連接板、儀器腳壓塊、閃光燈警示安裝部件（圖1）。具體尺寸按照激光一體機實際尺寸進行量取，激光一體機距離地面高度1.75 m。

圖1 激光一體機安置平臺機械設(shè)計加工圖Fig.1 Mechanical design and processing diagram of laser integrated machine placement platform

鋼架立體箱采用7 mm鋼板焊接而成，頂部先鋪設(shè)鋼板再與鋁板連接，儀器安裝完畢后，用儀器腳壓塊進行壓蓋，避免儀器抓腳的磨損。同時平臺安裝閃光燈警示部件，在數(shù)據(jù)采集時工作，用于警示路人，保證儀器設(shè)備的安全。鋼架立體箱與底部只有4個固定螺絲，便于拆卸。側(cè)面分別開設(shè)有兩個小門，一側(cè)小門內(nèi)部安置小液晶顯示器，小門放下之后可作為操作臺面，便于系統(tǒng)控制，操作方便快捷，就另一側(cè)小門可用來存儲鍵盤鼠標(biāo)總控電源等其他設(shè)備。

相機立桿安置平臺機械設(shè)計加工（圖2），由相機支桿底座、相機立柱支桿、立柱固定部件3部分組成。其中，相機支桿底座起到固定安裝平臺的作用，相機立柱支桿采用無縫鋼管材質(zhì)，為相機提供足夠的拍攝高度和支撐，立柱固定部件保證立柱支桿處于豎直狀態(tài)，拆卸后能安裝到相同的位置，相機立柱支桿用7個螺絲固定，可整體取下，分兩節(jié)設(shè)置，最長75 cm，整體高度2.25 m。

圖2 相機立桿安置平臺部件機械設(shè)計加工圖Fig.2 Mechanical design and processing diagram of the camera rod placement platform components

車輪編碼系統(tǒng)輪盤直接采用同軸心的過度盤安置，材質(zhì)選用鋁制法蘭盤，通過加長過渡螺絲連接。車頂平臺與車輪編碼系統(tǒng)輪盤部分可拆卸，安裝到同型號電動三輪車上或者其他牌號的電動三輪車，只要與三輪車車輪定位螺絲參數(shù)一致均可。所有設(shè)計加工完成后，在西安市浐灞生態(tài)區(qū)東郊某機械加工廠，按照設(shè)計要求進行現(xiàn)場定制加工， 20天完成機械加工部分，最終完成硬件部分平臺研制（圖3）。

圖3 基于電動單輪車的輕便型移動測量系統(tǒng)平臺機械設(shè)計加工成果Fig.3 Mechanical design and processing achievement of portable mobile measurement system platform based on electric tricycle

1.4 電路設(shè)計與電源加工

電路設(shè)計與電源加工以方便攜帶、便于操作為基本原則，包括電源控制箱、輔助電源、充電電路3部分。

1）電源控制箱是移動測量系統(tǒng)設(shè)備供電控制系統(tǒng)的核心部分，分為3路向全景相機、工控機、激光掃描儀供電，提供12 V、10 A電流的供電電路，同時可向外部供電，作為220 V的供電電源和充電電源，具備電量檢測、USB充電等多用途功能。電源部分采用定制的200 AH鋰電池，重量輕，便于運輸和攜帶。電源控制箱內(nèi)部采用標(biāo)準(zhǔn)化插接件連接，操作簡單、可靠、方便。整體集成在一個電源控制箱內(nèi)。

2）輔助電源是在系統(tǒng)正常工作時有源向鋰電池充電，同時用于逆變220 V給顯示器和閃光燈供電。輔助電源部分不間斷輸出220 V電源（700 W），向電源箱鋰電池充電，使鋰電池電壓穩(wěn)定在12.2 V左右，有效保障移動測量系統(tǒng)設(shè)備正常運轉(zhuǎn)。

3）為完成系統(tǒng)搭載各個電瓶的充電任務(wù)，按照可移動拆卸、便于攜帶的整體原則，設(shè)計充電電路部分，進行電路集成處理，通過一個220 V市電電源接口即可完成所有電瓶的充電。更換車輛時所有線路均可帶走，拆卸、安裝也很方便，最大程度上避免了插錯電源線現(xiàn)象的發(fā)生。

經(jīng)過連續(xù)3天的外業(yè)測試，系統(tǒng)設(shè)備運轉(zhuǎn)正常、整體充電運行情況穩(wěn)定、可靠、實用、方便。

2 系統(tǒng)標(biāo)定和整體檢校

系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)通過移動測量廠家提供的大車標(biāo)定參數(shù)，間接得到電動三輪車的標(biāo)定參數(shù)，整體檢校參數(shù)則通過實測數(shù)據(jù)獲取。

2.1 標(biāo)定參數(shù)獲取

系統(tǒng)的標(biāo)定參數(shù)是求取GNSS中心位置與IMU中心位置相對偏移量的過程，是保證系統(tǒng)組合導(dǎo)航計算結(jié)果穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)。

移動測量系統(tǒng)廠商在提供設(shè)備的同時已提供移動測量系統(tǒng)的標(biāo)定參數(shù)。將移動測量平臺從汽車平臺移至電動三輪車平臺過程中，GNSS中心位置與IMU中心位置相對偏移量發(fā)生了明顯的變化，為了保證組合導(dǎo)航結(jié)果的可靠性，需要將其相對偏移量準(zhǔn)確求取。

為了解決這個難題，本文提出一種間接求取系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)的方法。因為GNSS中心位置與IMU中心位置相對偏移量只涉及XYZ 3個方向和角度無關(guān)，故使用REIGL激光掃描儀在越野車平臺和電動三輪車平臺分別進行精確掃描，通過分別提取一體機固定點位與GNSS天線固定點位信息的方法，確定兩者的較差；再由移動測量廠商提供的原標(biāo)定參數(shù)，間接得到新的GNSS中心位置與IMU中心位置相對偏移量，在掃描得到的激光點云數(shù)據(jù)上進行點位提取，過程如圖4所示。

圖4 激光點云固定點位提取過程Fig.4 Extraction process of fixed position on the laser point cloud

此方法操作簡單，但需要使用地面激光掃描儀設(shè)備。在測區(qū)不具備地面激光掃描儀設(shè)備條件的，可使用全站儀精確測量，代替地面激光掃描儀。

2.2 整體檢校參數(shù)獲取

1）標(biāo)定程序?qū)崿F(xiàn)。用特征點常規(guī)測量坐標(biāo)和點云坐標(biāo)構(gòu)建法方程式，解算出激光掃描儀和IMU間的相對姿態(tài)，綜合標(biāo)定流程如圖5所示。

圖5 綜合標(biāo)定流程圖Fig.5 Procedure of integrated calibration program

2）數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集的首選位置為道路兩旁有房屋角等特征點的十字路口（圖6），藍色線代表道路兩旁的建筑物等地物，綠色箭頭代表行車軌跡與方向，紅色箭頭代表掃描方向。數(shù)據(jù)采集時，每條行車軌跡線至少采集兩遍數(shù)據(jù)，外業(yè)采集人員詳細(xì)記錄行駛方向、掃描方向以及對應(yīng)的文件名等。

圖6 十字路口數(shù)據(jù)采集Fig. 6 Data collection at the crossroads

利用激光掃描儀隨機數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)置相關(guān)參數(shù)，采集目標(biāo)地物點云數(shù)據(jù)。通過相反行進方向的數(shù)據(jù)采集能夠更好地消除系統(tǒng)誤差，減小參數(shù)間的相關(guān)性。減慢行進速度能夠在控制點區(qū)域得到更多的點云，實際掃描時要盡量降低車輛行進速度，并繞檢校場地（建筑物）正反行進兩周。在西安外業(yè)基地樓底已知點架設(shè)基站，選定公園南路、金犢路十字路口進行數(shù)據(jù)采集，標(biāo)定數(shù)據(jù)掃描軌跡如圖7所示。

圖7 標(biāo)定數(shù)據(jù)采集掃描軌跡Fig.7 Scanning trace collected from calibration data

3）控制點數(shù)據(jù)采集。控制點數(shù)據(jù)采集是采用傳統(tǒng)測量方式進行，通過在外業(yè)基地架設(shè)網(wǎng)絡(luò)RTK作為基準(zhǔn)站，通過對應(yīng)流動站在標(biāo)定路段作地面控制圖根點，使用全站儀，利用地面控制圖根點，進行控制點數(shù)據(jù)采集[8]。

4）控制點點云數(shù)據(jù)采集。用激光掃描儀和IMU間的相對姿態(tài)初值解算掃描數(shù)據(jù)，得到標(biāo)定路段十字路口點云數(shù)據(jù)。用RealScene瀏覽點云數(shù)據(jù)，將控制點映射至點云中選取控制點對應(yīng)的點云，記錄坐標(biāo)和時間，根據(jù)時間查找計算相應(yīng)的姿態(tài)數(shù)據(jù)。

5）參數(shù)計算及結(jié)果驗證。參數(shù)計算使用MMS_CAL程序完成，計算結(jié)果如圖8所示，包含X方向（垂直于車輛前進方向）偏移量、Y方向（車輛前進方向）偏移量、Z方向（垂直方向）偏移量、航向角Yaw、俯仰角Pitch、翻滾角Roll 6個參數(shù)。用計算求取的參數(shù)，重新解算點云數(shù)據(jù)，并將控制點映射到點云中，點云精度明顯提高。

圖8 EP參數(shù)求取結(jié)果Fig.8 Results of EP parameters

6）參數(shù)精化。在同一條路往返掃描點云中桿狀地物（如電線桿）的重合關(guān)系，實現(xiàn)激光掃描儀和IMU間夾角修正和精化。

3 系統(tǒng)測試與精度評估

在靠近西安市南三環(huán)的公園南路南段進行系統(tǒng)測試，測試路段兩側(cè)以閑置未開發(fā)商業(yè)用地為主，存在個別高層建筑，整體交通狀況良好，GPS信號優(yōu)，同時道路兩側(cè)有成排行樹及路燈，便于后期觀察點云數(shù)據(jù)往返檢測掃描精度和精度檢測比對。為保證本次測試的測量精度，在距離測試路段6500 m處的測繪路4號西安外業(yè)基地辦公大樓樓頂安置一處地面基準(zhǔn)站。

現(xiàn)場采用基于電動三輪車的輕便型移動測量系統(tǒng)平臺進行數(shù)據(jù)采集，電動三輪車平均時速15 km/h，采集時間40 min，系統(tǒng)初始化時間和結(jié)束化時間均為10 min，全程在輔路行駛。現(xiàn)場總計采集單程里程約9 km，全景照片1238組，共計7422張，大小為45.6 GB，激光數(shù)據(jù)文件75個，大小為9.34 GB。系統(tǒng)電壓從13.6 V降至13.2 V，保持在正常電壓范圍內(nèi)，全景相機系統(tǒng)、激光掃描儀、GNSS模塊、IMU模塊、車輪編碼器、工控機部分均能實現(xiàn)正常工作。同時在測試路段通過RTK布設(shè)圖根控制點，全站儀采集碎部點的方式獲取外業(yè)測量檢測點。點云數(shù)據(jù)和外業(yè)檢測點坐標(biāo)系為WGS84空間直角坐標(biāo)系。

將外業(yè)測量檢測點映射到點云數(shù)據(jù)中，在點云數(shù)據(jù)中選取對應(yīng)測量特征點，坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)出后與外業(yè)測量檢測點進行比較，統(tǒng)計偏差信息并對精度進行評估。平面坐標(biāo)精度評估過程中采集房角、門墩、圍墻角、柵欄等明顯平面特征點，高程精度評估過程中選取臨近位置的高程點。通過在點云數(shù)據(jù)上選取與外業(yè)測量檢測點一致的平面點40個和高程點97個，得到的平面精度見表3，高程精度見表4。

表3 平面精度統(tǒng)計表Tab.3 Statistical table of plane precision

表4 高程精度統(tǒng)計表Tab.4 Statistical table of elevation accuracy

由此可見，基于電動三輪車的移動測量系統(tǒng)平臺可持續(xù)穩(wěn)定正常采集作業(yè)，在測試路段獲取的點云數(shù)據(jù)精度可靠，根據(jù)大比例尺數(shù)據(jù)測圖成果精度執(zhí)行《GB 14912-2005、1∶500、1∶1000、1∶2000外業(yè)數(shù)字測圖技術(shù)規(guī)程》[9]，此次測試數(shù)據(jù)在平面精度和高程精度方面均滿足1∶500比例尺地形圖測繪的精度要求，測量精度較越野車平臺稍有降低，但總體影響不大。

4 結(jié) 論

輕便型移動測量系統(tǒng)平臺達到了可拆卸、便于攜帶、使用快捷、安全可靠、美觀大方，系統(tǒng)整體性能未受過多影響的目標(biāo)。系統(tǒng)在數(shù)據(jù)獲取方面表現(xiàn)正常，經(jīng)過系統(tǒng)標(biāo)定和整體檢校后，數(shù)據(jù)采集精度無明顯下降，整體穩(wěn)定可靠。

由于輕便型移動測量系統(tǒng)平臺在機械設(shè)計加工、電路集成、系統(tǒng)標(biāo)定和整體檢校方面都存在一定的改進空間，亟需在生產(chǎn)工藝、點云糾正方法、激光掃描儀內(nèi)部時間跳轉(zhuǎn)[10]等關(guān)鍵點上進行深入研究和改進，進一步推動示范引領(lǐng)作用。