何小飛

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安）

前言

目前，我國高速公路運(yùn)營總里程已達(dá)到16 萬公里，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，道路交通量日益增大，不少早期建成的高速公路已經(jīng)達(dá)到或者超過其通行能力，造成交通擁堵、服務(wù)能力下降的現(xiàn)象。因此，對(duì)既有高速公路進(jìn)行擴(kuò)能改造，以適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要，已成為近幾年研究的熱點(diǎn)問題[1]。高速公路改擴(kuò)建的前提是精準(zhǔn)掌握既有道路的現(xiàn)狀信息，從而輔助專業(yè)人員設(shè)計(jì)最佳的改擴(kuò)建方案[2]。傳統(tǒng)的勘測方法多采用GPS-RTK、全站儀、水準(zhǔn)測量等方法獲取路面數(shù)據(jù)，需要大量人員上道測量，存在安全隱患，而且效率低下、對(duì)正常交通產(chǎn)生干擾[3]。因此，需要尋求一種高效、高精度、自動(dòng)化程度高的勘測手段來滿足現(xiàn)有的高速公路勘測要求。本研究采用我院自主研發(fā)的高精度車載移動(dòng)測量系統(tǒng)進(jìn)行高速公路勘測，將三維激光掃描系統(tǒng)安裝在汽車上，以30～40 km/h 速度勻速行駛在應(yīng)急車道上，地面架設(shè)GNSS 基站同步觀測，可獲取公路路面及兩側(cè)的高密度點(diǎn)云和全景影像數(shù)據(jù)，利用靶標(biāo)控制點(diǎn)對(duì)點(diǎn)云成果進(jìn)行糾正，提高點(diǎn)云成果的絕對(duì)精度，最后在點(diǎn)云數(shù)據(jù)上可提取道路標(biāo)線、橫縱斷面、制作高精度數(shù)字高程模型，為設(shè)計(jì)專業(yè)提供可靠、精確的道路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。相比傳統(tǒng)測量方法，本研究采用車載移動(dòng)測量系統(tǒng)進(jìn)行公路勘測，獲取的數(shù)據(jù)更加全面、作業(yè)效率和安全性更高，而且成果精度完全滿足公路勘測規(guī)范要求。

1 車載移動(dòng)測量技術(shù)介紹

三維激光掃描技術(shù)又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，它通過激光掃描測量方法快速獲取被測對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)及其他關(guān)鍵信息。車載移動(dòng)測量系統(tǒng)則是將集成了三維激光掃描儀、慣導(dǎo)系統(tǒng)、GNSS 系統(tǒng)、里程計(jì)、全景相機(jī)等多傳感器的綜合測量系統(tǒng)整體加裝在車輛平臺(tái)上進(jìn)行激光雷達(dá)掃描作業(yè)的主動(dòng)式非接觸動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)，具有測量速度快、作業(yè)安全性高、獲取信息全面、數(shù)據(jù)相對(duì)精度高等特點(diǎn)，為高速公路測量提供了一種新的思路和數(shù)據(jù)獲取手段。車載移動(dòng)測量系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 車載移動(dòng)測量系統(tǒng)示意

2 高速公路車載移動(dòng)測量技術(shù)方案

在不影響正常交通運(yùn)營的情況下，將車載移動(dòng)測量系統(tǒng)安裝在汽車上進(jìn)行線路掃描，獲取高精度、高密度空間三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)和全景影像數(shù)據(jù)。考慮到高速公路改擴(kuò)建精度要求，掃描前需在線路兩側(cè)地面布設(shè)靶標(biāo)控制點(diǎn)，掃描時(shí)在既有控制點(diǎn)上架設(shè)基站，后續(xù)經(jīng)過組合導(dǎo)航解算、點(diǎn)云糾正和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到工程坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過點(diǎn)云濾波處理，將中分帶樹木、欄桿及車輛去除，可制作精細(xì)數(shù)字高程模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行道路標(biāo)線、橫縱斷面提取等工作，具體技術(shù)方案見圖2。

圖2 高速公路車載移動(dòng)測量技術(shù)流程

2.1 靶標(biāo)布設(shè)及測量

為方便靶標(biāo)控制點(diǎn)的布設(shè)和測量，選擇在應(yīng)急車道上按照每單向400 m，雙向交叉200 m 進(jìn)行布設(shè)，見圖3。此外還需在往返車道分別按照間隔不大于1 km 均勻布設(shè)精度檢查點(diǎn)；互通立交匝道與正線交匯處、上跨立交前后、收費(fèi)站前后以及GNSS 信號(hào)受影響區(qū)域適當(dāng)加密靶標(biāo)控制點(diǎn)，測區(qū)起終點(diǎn)處兩側(cè)車道均對(duì)稱布設(shè)靶標(biāo)點(diǎn)。

圖3 靶標(biāo)控制點(diǎn)布設(shè)示意

靶標(biāo)控制點(diǎn)平面采用GPS-RTK 方法施測，高程采用水準(zhǔn)方法測量，高程測量等級(jí)按照四等技術(shù)要求進(jìn)行，路線閉合差（mm）。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

為保證車載點(diǎn)云數(shù)據(jù)差分解算精度，需在地面架設(shè)GNSS基站，與車載POS 系統(tǒng)內(nèi)置GNSS 接收機(jī)同步進(jìn)行觀測，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)DGPS 相位差分測量定位。相鄰GNSS 基站間隔通常不大于15 KM，基站接收機(jī)選用雙頻多星座，采樣頻率不大于0.5 s，且觀測時(shí)長覆蓋車載移動(dòng)測量系統(tǒng)掃描時(shí)段。

事先與路政部門溝通掃描車在應(yīng)急車道上行駛作業(yè)，掃描時(shí)應(yīng)勻速行駛，盡量避免與過往大型車輛并行或尾隨，確保點(diǎn)云和GPS 信號(hào)不被遮擋。

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 POS 軌跡線解算

車載移動(dòng)測量系統(tǒng)集成了多個(gè)傳感器，可同時(shí)獲取位置、姿態(tài)、里程等數(shù)據(jù)，利用組合導(dǎo)航解算軟件，將移動(dòng)站GNSS 數(shù)據(jù)與基站GNSS 數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，獲取基于GNSS 的車載移動(dòng)測量系統(tǒng)軌跡，將GNSS 差分結(jié)果與慣導(dǎo)IMU 數(shù)據(jù)、里程計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緊耦合（Tightly Coupled）計(jì)算[4]，可得到最終的高精度POS 軌跡線數(shù)據(jù)（見圖4）。

圖4 解算的POS 軌跡線示意

2.3.2 點(diǎn)云糾正融合

將解算的POS 軌跡線數(shù)據(jù)與掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，可得到三維空間的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，此時(shí)點(diǎn)云精度為組合導(dǎo)航差分解算的精度，尚不能滿足高速公路勘測需求，要利用沿線布設(shè)的靶標(biāo)控制點(diǎn)對(duì)POS 軌跡線進(jìn)行糾正，以提高點(diǎn)云成果精度。糾正后的點(diǎn)云成果高程系統(tǒng)為大地高，而實(shí)際工程多采用水準(zhǔn)高，通過計(jì)算7 參數(shù)對(duì)點(diǎn)云成果進(jìn)行分段轉(zhuǎn)換，得到工程坐標(biāo)系下的點(diǎn)云成果，最后利用沿線布設(shè)的檢核點(diǎn)對(duì)成果精度進(jìn)行驗(yàn)證，滿足要求后進(jìn)行后續(xù)處理。靶標(biāo)實(shí)物和點(diǎn)云中的靶標(biāo)見圖5。

圖5 靶標(biāo)實(shí)物和點(diǎn)云中的靶標(biāo)

2.3.3 點(diǎn)云濾波

車載移動(dòng)測量掃描時(shí)獲取了線路周圍全部地物信息，為了精準(zhǔn)的獲取高速公路路面信息，利用濾波軟件和算法，對(duì)車輛、綠化帶、上跨橋梁、路基護(hù)欄等目標(biāo)進(jìn)行剔除，只保留地面點(diǎn)。通過構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，人工檢查濾波效果，對(duì)高程突變點(diǎn)進(jìn)行手動(dòng)分類，最終得到僅有地面點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云濾波前后示意見圖6。

圖6 點(diǎn)云濾波前后示意

2.3.4 道路標(biāo)線及橫縱斷面提取

在獲取地面精確點(diǎn)云的基礎(chǔ)上，可利用軟件交互式提取道路的邊線、車道、中央隔離帶、硬路肩邊緣等信息[5]。首先人工選擇一小段地面標(biāo)線，程序?qū)⒏鶕?jù)點(diǎn)云強(qiáng)度及紋理信息進(jìn)行追蹤提取，遇到虛標(biāo)線或分叉標(biāo)線時(shí)，需人工輔助提取，提取結(jié)果可輸出CAD 及坐標(biāo)文本文件。

利用三維道路設(shè)計(jì)軟件對(duì)地面點(diǎn)進(jìn)行地表模型構(gòu)建，進(jìn)而提取橫縱斷面。首先將道路中線導(dǎo)入進(jìn)行平面設(shè)計(jì)，按照一定間距生成樁號(hào)文件；然后加載地面點(diǎn)云，采用不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）構(gòu)建數(shù)字高程模型，根據(jù)三角網(wǎng)插值法進(jìn)行點(diǎn)高程內(nèi)插，最后輸出橫、縱斷面圖。

3 項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)例

本研究以包茂高速陜西段改擴(kuò)建項(xiàng)目為例，驗(yàn)證車載移動(dòng)測量技術(shù)在高速公路勘測中的有效性。該段線路為雙向四車道，路況環(huán)境復(fù)雜，繞行較多且車流量大，本次采用我院自主研發(fā)的rMMS 車載移動(dòng)測量系統(tǒng)進(jìn)行掃描，該系統(tǒng)集成了Z+F 雙頭激光掃描儀、全景相機(jī)、里程計(jì)等多傳感器，具體設(shè)備參數(shù)見圖7。本項(xiàng)目靶標(biāo)布設(shè)在應(yīng)急車道路面，按照200 m 間距交叉布設(shè)，掃描時(shí)車輛行駛在應(yīng)急車道上，速度為30 km/h，共采集線路長度40 km，對(duì)向及繞行車道分多次采集。

圖7 rMMS 移動(dòng)測量系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)及掃描作業(yè)示意

內(nèi)業(yè)對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行POS 軌跡線解算、點(diǎn)云糾正融合、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、精度驗(yàn)證等處理，得到最終點(diǎn)云成果（見圖8）。利用沿線布設(shè)的110 個(gè)檢核點(diǎn)驗(yàn)證點(diǎn)云平面、高程精度，剔除粗差后，統(tǒng)計(jì)平面中誤差為1.8 cm，高程中誤差為1.0 cm，完全滿足高速公路勘測規(guī)范中的精度要求。平面精度統(tǒng)計(jì)見表1。高程精度統(tǒng)計(jì)見表2。

圖8 點(diǎn)云成果示意

表1 平面精度統(tǒng)計(jì)

表2 高程精度統(tǒng)計(jì)

點(diǎn)云成果精度滿足要求后，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行濾波處理，得到地面點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用軟件提取公路的中分帶邊緣線、行車道內(nèi)邊緣線、行車道外邊緣線、路肩線等特征線信息；通過構(gòu)建數(shù)字高程模型，自動(dòng)提取線路橫縱斷面數(shù)據(jù)，并繪制二維斷面圖。道路標(biāo)線提取結(jié)果（上）及數(shù)字高程模型（下）見圖9。

圖9 道路標(biāo)線提取結(jié)果（上）及數(shù)字高程模型（下）

4 結(jié)論

高速公路改擴(kuò)建勘測的前提是精確獲取道路及其附屬結(jié)構(gòu)的三維信息，傳統(tǒng)的勘測方法采用人工上道測量，工作量大、風(fēng)險(xiǎn)高且效率低下，對(duì)正常交通運(yùn)營也存在干擾。本研究研究了基于車載移動(dòng)測量技術(shù)的高速公路改擴(kuò)建方法，采用雙頭激光掃描儀有效避免了過往車輛對(duì)點(diǎn)云的遮擋，通過布設(shè)靶標(biāo)控制點(diǎn)進(jìn)行糾正以提高點(diǎn)云精度，最終在路面點(diǎn)云上實(shí)現(xiàn)了道路標(biāo)線及橫縱斷面提取。工程實(shí)踐表明，車載移動(dòng)測量技術(shù)具有采集效率高、獲取要素全、勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)勢(shì)，有效減少了野外工作量，保證了人員作業(yè)安全，數(shù)據(jù)成果完全滿足高速公路改擴(kuò)建規(guī)范要求，該方法在國、省道及城市道路改擴(kuò)建中也同樣適用，今后可參考推廣。