作者簡介：朱武松（1979—），男，碩士，副高級工程師，研究方向?yàn)楣こ虦y量。

摘要：移動(dòng)三維激光掃描技術(shù)是數(shù)字地球技術(shù)的一個(gè)熱點(diǎn)，三維竣工測量是測繪中一個(gè)相對較新的概念。研制了一種用于城市地下軌道三維竣工測量的移動(dòng)式三維激光掃描系統(tǒng)。根據(jù)地下軌道環(huán)境的特點(diǎn)和移動(dòng)式激光掃描系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種合適的測試方案，以提高這種移動(dòng)式激光掃描系統(tǒng)在無GPS信號環(huán)境下工作的精度。完成了該技術(shù)在某地鐵線路三維竣工測量中的應(yīng)用，同時(shí)基于這種移動(dòng)式三維激光掃描技術(shù)，制定了一套三維地下測量的技術(shù)流程。利用移動(dòng)式三維激光掃描技術(shù)完成地下軌道竣工測量在國內(nèi)尚屬首次。可為鐵路竣工測量的三維測量或其他地區(qū)的三維竣工測量提供參考。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描" "地下軌道交通" 測量" 精度分析

中圖分類號：U212.2;U452.1

Abstract： Mobile 3D laser scanning technology is a hotspot in digital earth technology， and 3D completion measurement is a relatively new concept in surveying and mapping. This article develops a mobile 3D laser scanning system for the 3D completion measurement of urban underground tracks. According to the characteristics of the underground rail environment and the mobile laser scanning system， this paper designs a suitable measurement scheme to improve the working accuracy of this mobile laser scanning system in the" environment without GPS signals. The paper has completed the application of this technology in the 3D completion measurement of a certain subway line， and" has developed a set of technical process for 3D underground measurement based on the mobile 3D laser scanning technology." It is the first time in China that mobile 3D laser scanning technology is used to complete the completion measurement of underground tracks， which can provide reference for the 3D measurement of railway completion measurement or the 3D completion measurement in other areas.

Key Words： 3D laser scanning; Underground rail transit; Measurement; Accuracy analysis

傳統(tǒng)地下軌道交通竣工測量的主要任務(wù)是對地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量，并將測量數(shù)據(jù)與原規(guī)劃設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較[1]。然后將結(jié)果提供給相關(guān)部門進(jìn)行綜合分析。軌道交通管理部門也希望進(jìn)行三維竣工測量，以支持軌道交通運(yùn)營管理。近年來，靜態(tài)地面三維激光掃描儀已被用于三維測量，然而，與軌道交通緊張繁重的任務(wù)相比，這種設(shè)備的效率相對較低[2]。為此，本文建立了一種車載三維激光掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一臺(tái)360°三維激光掃描儀、一臺(tái)GPS、一臺(tái)IMU、一臺(tái)測距儀和多臺(tái)攝像機(jī)組成。所有傳感器均采用時(shí)空同步技術(shù)固定在滑軌車上，完成了1.5km鋼軌三維測量數(shù)據(jù)的采集和建模。

1 車載激光掃描系統(tǒng)及其原理

該車載系統(tǒng)的主要傳感器為一臺(tái)360°激光掃描儀、一臺(tái)高精度慣性測量單元、一臺(tái)GPS和一臺(tái)輪距測量儀（圖1）。

所有這些傳感器都剛性固定在軌道車上，所有設(shè)備都采用了時(shí)空同步技術(shù)。經(jīng)過綜合標(biāo)定得到傳感器的相對空間關(guān)系。隨著車輛的前進(jìn)，獲取空間三維信息。GPS、IMU和車輪編碼器共同構(gòu)成系統(tǒng)定位和姿態(tài)確定系統(tǒng)。利用慣性資源管理器處理軟件對三種導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行組合計(jì)算，得到姿態(tài)和位置數(shù)據(jù)對應(yīng)的中心矢量。通過這三個(gè)位置傳感器可以得到絕對坐標(biāo)。

2 系統(tǒng)精度分析

車載三維激光掃描技術(shù)的精度受激光掃描儀的距離和角度精度、車輛的定位精度等因素的影響[3]。系統(tǒng)校準(zhǔn)消除了激光掃描儀的范圍和角度精度，無法在工作過程中進(jìn)行優(yōu)化。因此，系統(tǒng)的精度取決于載體在導(dǎo)航過程中的定位精度。但是井下移動(dòng)測量過程中沒有GPS信號，IMU自身獲得的定位精度隨著時(shí)間的延長會(huì)越來越差，因此增加了測距儀對導(dǎo)航精度進(jìn)行修正，為IMU提供了一個(gè)方向的距離信息，有助于組合導(dǎo)航。但是這種組合導(dǎo)航技術(shù)在GPS信號長時(shí)間丟失時(shí)會(huì)失效，還需要其他手段來提高導(dǎo)航精度，以滿足軌道交通竣工測量的要求。

根據(jù)控制測量原理，在車載三維激光掃描系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在軌道沿線增加控制點(diǎn)，以提高軌道過渡段竣工測量的精度。點(diǎn)的分布應(yīng)在一定程度上均勻，并應(yīng)采用更高層次的方法進(jìn)行測量。然后利用控制點(diǎn)對整個(gè)激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)概況

該試驗(yàn)區(qū)位于福州某地鐵線路，是典型的地下軌道交通新線。在激光掃描數(shù)據(jù)采集之前，沿線設(shè)置了一些規(guī)劃控制點(diǎn)，采用高反射膜設(shè)計(jì)（如圖2所示）。經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)這種控制點(diǎn)在掃描數(shù)據(jù)（也稱點(diǎn)云）中易于識(shí)別。在本試驗(yàn)中，這些控制點(diǎn)以25m的間隔交替地設(shè)置在鋼軌左右兩側(cè)的壁面上。其中一部分用于控制，另一部分用于精度檢測，如圖3所示。

該三維激光掃描系統(tǒng)定位為差分定位，需要在測量區(qū)域內(nèi)的路面上設(shè)置一個(gè)相對開放的參考站。本實(shí)驗(yàn)參考系建立在官莊站。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，需要在地面上對系統(tǒng)進(jìn)行約15min的初始化，然后打開激光掃描儀，將系統(tǒng)從地面移動(dòng)到地下軌道車輛上，獲取該段軌道的三維點(diǎn)云。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，它還需要另一個(gè)初始階段。為了減小GPS鎖定時(shí)間，提高定位精度，需要盡快完成該實(shí)驗(yàn)。

3.2 技術(shù)框架

為本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一個(gè)技術(shù)框架（如圖4所示）。首先計(jì)算位置數(shù)據(jù)并對結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，進(jìn)而計(jì)算出實(shí)際坐標(biāo)點(diǎn)云，并進(jìn)行點(diǎn)云校正，包括平面校正和高程校正，最終得到剔除噪聲的點(diǎn)云（如圖5所示）。需要注意的是，技術(shù)流程中每一步在進(jìn)行前都需要精度測試，針對一些粗糙數(shù)據(jù)，需要增加更多的控制點(diǎn)，才能得到滿足要求的結(jié)果。

3.3 點(diǎn)云校正

本文點(diǎn)云校正的原理是雙線性插值。

3.3.1 平面校正

詳細(xì)步驟如下：（1）控制點(diǎn)投影（如圖6所示）；（2）將每個(gè)控制點(diǎn)的實(shí)際位置映射到相應(yīng)區(qū)域的每個(gè)點(diǎn)，按規(guī)劃50m間距逐幅繪制[4]；（3）檢查正確點(diǎn)云的平面精度，在精度不符合要求的區(qū)域增加必要的控制點(diǎn)；（4）更正整個(gè)點(diǎn)云；（5）檢查整個(gè)正確點(diǎn)云的平面精度。

3.3.2 高程修正

平面校正后進(jìn)行高程校正。具體步驟如下：（1）高程控制點(diǎn)投影；（2）投影點(diǎn)云，每隔50m將每個(gè)控制點(diǎn)映射到點(diǎn)云上每個(gè)控制點(diǎn)的實(shí)際區(qū)域[5]；（3）檢查正確點(diǎn)云的高程精度，在精度不符合要求的區(qū)域增加必要的控制點(diǎn)；（4）修正整個(gè)點(diǎn)云；（5）檢查點(diǎn)云的高程精度。

3.4 精度分析

3.4.1 平面精度

共有39個(gè)平面點(diǎn)測試平面精度，間隔約50m。均方平面誤差為m=±0.039m。

3.4.2高程精度

共設(shè)置39個(gè)高程點(diǎn)進(jìn)行高程精度檢驗(yàn)，間距約50m。結(jié)果表明，單靠組合導(dǎo)航得到的點(diǎn)云平面精度為±13.623m，高程精度為±9.343m，無法滿足竣工測量的需要。同時(shí)利用控制點(diǎn)對點(diǎn)云進(jìn)行校正，提高了校正效果。修正后的點(diǎn)云點(diǎn)位精度為0.039m，高程為0.026m，滿足軌道交通竣工測量精度要求[6]。

4 結(jié)語

本文提出了一套地下車載軌道交通激光掃描系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)完成了一段軌道交通竣工測量。創(chuàng)新提出了一套基于這種車載掃描系統(tǒng)的竣工測量技術(shù)路線，當(dāng)?shù)叵萝壍澜煌▍^(qū)域沒有足夠的GPS信號時(shí)，一些控制點(diǎn)掃描大大提高了點(diǎn)云的精度。該試驗(yàn)區(qū)是一個(gè)典型的軌道交通，沒有影響試驗(yàn)結(jié)果的空間地形；控制點(diǎn)間距應(yīng)在50m左右，這可以很好地提高點(diǎn)云的精度。

為了驗(yàn)證移動(dòng)測量技術(shù)的有效性，該路段軌道交通也采用了傳統(tǒng)的測量方法。實(shí)踐表明：車載測量時(shí)間為16d，而在相同的環(huán)境下，傳統(tǒng)的測量方法需要20d左右的時(shí)間，車載掃描技術(shù)與傳統(tǒng)測量方法相比具有明顯的優(yōu)勢。隨著未來高精度組合導(dǎo)航技術(shù)的進(jìn)步，這項(xiàng)新技術(shù)的成本將下降。點(diǎn)云結(jié)果還可用于建立三維場景模型，為后續(xù)軌道交通運(yùn)營和管理提供數(shù)據(jù)支持。因此車載掃描技術(shù)在地下軌道交通工程竣工測量領(lǐng)域?qū)⒕哂懈蟮膬?yōu)勢。車載激光掃描技術(shù)在地下軌道交通領(lǐng)域的成功試驗(yàn)，可為其他領(lǐng)域的竣工測量乃至三維測量提供參考。

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