車載LiDAR用于軌道線帶狀圖測量的高程精度分析

韓　尚

(福建省測繪院，福建 福州 350003)

?

車載LiDAR用于軌道線帶狀圖測量的高程精度分析

韓尚

(福建省測繪院，福建 福州 350003)

Height Accuracy Analysis of Rail Line Strip Map Based on Vehicle LiDAR System

HAN Shang

摘要：目前，軌道交通建設在各大中城市日益興起，傳統的測量技術手段難以快速獲取城市軌道交通帶狀圖，而車載LiDAR作為一種新的測量技術，能夠實現快速、全面地獲取道路兩側的詳細地物信息，并且在高程測量上能夠達到較高的精度。本文以SSW移動測量系統為硬件平臺，采用多種作業方案對鄭州市地鐵軌道交通線進行帶狀圖測量，針對各方案的高程測量數據，分析GPS信號強度、檢校點密度、采集方式對點云高程精度的影響。試驗結果表明，采用往返掃描的作業方式，可有效地減小系統誤差，提供測量精度；當GPS信號較弱時，采用往返掃描的作業方式，并適當增加檢校點密度，也能達到軌道交通帶狀圖高程精度要求。

關鍵詞：精度分析；高程測量；車載LiDAR；軌道線帶狀圖；激光點云

軌道線帶狀地形圖是地鐵建設的重要基礎資料，它根據地鐵線路建設的需求將地物、地貌予以詳細的表達，相對于平面精度而言，高程精度比其他地形圖要求更為嚴格，傳統的高程測量費時費力，且不容易達到精度要求。隨著我國大中型城市軌道交通建設快速推進，如何快速、高精度地獲取軌道線帶狀圖成為測繪工作者迫切需要解決的技術難題。隨著三維激光掃描技術的不斷發展，車載LiDAR的逐漸成熟及精度的不斷提高，利用車載LiDAR解決軌道線帶狀地形圖高程測量成為可能[1-5]。研究移動測量系統在帶狀圖數據獲取中的關鍵技術，對于減輕作業強度、提高作業效率、縮短作業周期具有重要現實意義[6-7]。

一、車載LiDAR在軌道線帶狀圖測量高程中應用實踐

1. 車載LiDAR特點

本文以國產SSW車載LiDAR系統為硬件平臺，基于該系統進行了軌道線帶狀圖高程測量試驗。SSW車載LiDAR系統主要由GPS、IMU、三維激光掃描儀、面陣CCD相機、車輪里程計等核心傳感器和車載計算機構成。其中，GPS及IMU系統獲取的原始數據稱為POS數據。POS數據是為系統提供絕對位置及姿態信息；車輪里程計提供各個時刻的行駛距離；位于頂部的6臺面陣CCD相機可以實現360°全景紋理獲取；激光掃描儀呈斜向上45°實現360°旋轉掃描，最遠測距可達300 m，標稱測距精度2 cm/100 m，激光點掃描頻率50～200 kHz，點云間距最高可達1 cm，理論上可以滿足軌道線帶狀圖高程信息采集需求[8-9]。

2. 軌道線帶狀圖測量高程精度要求

城市軌道交通選址都在城市主要干道上，其規劃設計、工程施工對高程精度要求高于一般地形圖的需求，高程精度要求在5 cm以內[10]。城市軌道線有其特殊性，越靠近軌道線中心附近的位置測量精度要求越高，常規儀器觀察費時費力，精度較難保證[11]。另外，城市主要干道上行人和車流量特別大，白天使用常規儀器觀測受到極大干擾，夜間不能進行，實施效率非常低，而車載LiDAR系統不受光線限制，昏暗和夜間都不影響測量，另外夜間車輛、行人較少，測量作業效率得到大大提高。

3. 軌道線帶狀圖高程測量試驗

為檢驗不同因素對LiDAR點云精度的影響，采集分為A、B兩個試驗區段。A段建筑物、行樹較少，沒有遮擋，對GPS信號影響較弱；B段高層建筑物較多，預計部分地段GPS信號會受到遮擋。試驗掃描區間A、B兩段均為城市交通主要道路，采用單向掃描和雙向往返掃描兩種方式，車速分別為5和25 km/h，控制點間距一種為系統建議間距3 km，另一種控制點間距為1 km，進行16次的組合掃描試驗。試驗區內共布設600個檢查點，檢查點布設均勻，距離規劃掃描軌跡線最大距離120 m左右，檢查點的平面坐標采用省CORS實測，高程測量方式采用四等水準連測，以保證檢查點的點位精度。

4. 不同掃描方式的高程精度比較

數據采集后，將A、B兩段試驗線路中的檢校點高程精度相對比，A段1 km間距檢校點和3 km間距檢校點精度對比結果如圖1和圖2所示。

圖1　A段1 km間隔檢校點高程精度對比圖

圖2　A段3 km間隔檢校點高程精度對比圖

從圖1中(a)、(b)的對比結果和圖2中(a)、(b)的對比結果得出，采取往返掃描的作業方式，能夠有效地提高作業精度。圖1—圖2的對比分析表明，在平穩路段，車速對掃描精度的影響較小，但在顛簸路段(A42—A48)，適當降低車速有利于采集精度的提高。

B段1 km間距檢校點和3 km間距檢校點精度對比結果如圖3和圖4所示。

圖3　B段1 km間隔檢校點高程精度統計圖

圖4　B段3 km間隔檢校點高程精度統計圖

通過圖3和圖4的對比分析可知，雖然采用往返掃描所采集的LiDAR點云高程精度高于單程掃描的點云精度，但B段道路中GPS信號遮擋較為嚴重，點云精度依然較差。由此可見，GPS信號的強弱對數據采集精度的影響較大。

對B段道路數據重新采集，在1 km一個檢校點情況下，適當補增控制點數量，采用往返掃描的作業方式。其高程精度統計圖如圖5所示。

圖5　B段1 km間隔增加檢校點高程精度

圖5表明，當GPS信號失鎖時，適當增加控制點密度，并采用往返掃描的作業方法，可以有效地提高點云精度，達到城市軌道交通帶狀圖測量的精度要求。

5. 點云高程精度的影響因素分析

試驗數據結果表明，點云高程精度受GPS信號、控制點間距、掃描方式的影響較大，車速對點云精度的影響較小，其中GPS信號對數據精度影響最大。若GPS信號失鎖時間過長時，整體精度受影響較大，特別是控制點為3 km間隔時，高程精度不能滿足要求，若在GPS信號遮擋較為嚴重的區域增補控制點，可以提高點云高程精度，從而達到作業精度要求。

二、結論與應用

1. 結論

1) 在GPS信號、車速、檢校點間距若干因素中，GPS信號的強弱決定著點云數據的整體質量。

2) 在外業采集作業中，采用往返掃描的作業方式，可以有效減小系統誤差對點云精度的影響。

3) 適當增加檢校點密度，可以提高點云精度；在道路不平整的路段，應盡量降低車速，保持車身平穩。

4) 在GPS信號較好的情況下，掃描半徑范圍(約150 m)內的點云可以滿足精度要求；在GPS信號失鎖時，采取往返掃描的作業方式，并增加控制點密度，也能達到精度要求。

2. 應用

在此次試驗的基礎上，利用SSW車載LiDAR系統在鄭州市地鐵2、3、5號線帶狀地形圖高程測量應用上進行了嘗試。作業模式采用雙向往返掃描，激光轉速3600轉/min，點頻200 kHz，平均車速20 km/h，每隔1 km設置一個對中桿，用來控制和檢校數據精度，整個帶狀圖測量項目往返掃描總計約150 km。每個項目外業掃描投入5人，4天完成數據獲取，內業投入3人，1周完成數據處理采集。經檢驗，其高程精度完全滿足軌道線帶狀圖的精度要求。實踐表明，該方法取得比傳統水準測量更好的效果，提高了測圖精度和效率，完全能為地鐵規劃設計、征地拆遷、線路施工等提供可靠、高精度的地形圖資料。

參考文獻：

[1]張攀科，張偉紅，王留召.車載激光掃描系統在道路斷面采集中的應用[J].測繪與空間地理信息，2014，37(11):59-62.

[2]許婭婭.GPS RTK的發展及其在公路測量中的應用[J].測繪通報，2007(2):18-20.

[3]宋新龍，田耀永.機載LiDAR掃描數據深加工及應用研究[J].測繪通報，2012(S1):317-319.

[4]駱云飛，王書民.車載LIDAR系統在道路勘測中的數據獲取及應用[J].測繪通報，2012(S1):362-364.

[5]CHENG L，ZHAO W,HAN P, et al. Building Region Derivation from LiDAR Data Using a Reversed Iterative Mathematic Morphological Algorithm[J]. Optics Communications, 2013:286 (1):244-250.

[6]魏來.移動測量系統在城市綠化管理系統建設中的應用[D].長春:吉林大學，2014.

[7]HU Y. Automated Extraction of Digital Terrain Models, Roads and Buildings Using Airborne LiDAR Data[D]. Calgary：University of Calgary, 2003.

[8]SSW車載激光建模測量系統[EB/OL].[2014-04-15]. http:∥www.1718196.com/pdshowtwo/product show-10686759.htm.

[9]王留召，韓友美，鐘若飛.車載激光掃描一距離測量參數標定[J].測繪通報，2010 (1):19-20.

[10]中華人民共和國建設部.城市軌道交通工程測量規范：GB 50308—2008[S].北京：[s.n.]，2008.

[11]楊伯鋼，韓友美.車載移動激光掃描技術大比例尺測圖技術分析[J].測繪科學，2013, 38(1): 106-108.

中圖分類號：P237

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)03-0070-03

作者簡介：韓尚(1975—)，男，高級工程師，主要研究方向為LiDAR數據處理、地理國情監測、遙感應用等。E-mail：78064318@qq.com

基金項目：福建省測繪地理信息科技創新基金(2014J03)

收稿日期：2015-12-01

引文格式： 韓尚. 車載LiDAR用于軌道線帶狀圖測量的高程精度分析[J].測繪通報，2016(3)：70-72.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0089.