移動激光掃描技術結合天寶Realworks在公路測設中的應用

2018-10-09 03:05:40武少豐杜洪濤

測繪通報 2018年9期

武少豐，杜洪濤

(1. 河南中原公路勘察設計有限公司，河南濮陽 457000； 2. 北京麥格天渱科技發展有限公司，北京 100043)

三維激光掃描測量系統也稱為三維激光成圖系統，主要由三維激光掃描儀和系統軟件組成，其工作目標就是快速、方便、準確地獲取近距離靜態位圖的空間三維模型，以便對模型進行分析和處理。激光掃描儀所獲得的數據是由離散的三維點構成的點云。點云的每一個像素包含一個距離值和角度值，三維激光掃描技術獲取的點云數據，可以達到毫米級的采樣間隔，從而使激光掃描技術可以用于工程測量、建筑測量、數字城市等領域。隨著科技的發展，地面靜態三維激光掃描技術日漸趨于成熟，大大提高了測量數據的完整性和成果應用的豐富性。本文主要涉及采用ZEB-REVO移動掃描儀、高精度SLAM移動掃描系統、點云編輯與成果系統、TBC通道模塊進行道路設計。

1 系統組成

1.1 高精度SLAM移動掃描系統

同步定位與制圖(simultaneous localisation and mapping,SLAM)技術能夠通過對周圍世界的探測，逐步描繪出環境地圖，并確定自身所處的位置，本項目所用設備為ZEB-REVO移動掃描儀，硬件由電源系統、數據控制與存儲系統、激光器和IMU慣性導航單元組成。

1.2 點云編輯與成果生成系統

點云編輯與成果生成系統主要為Trimble RealWorks軟件，可以實現對GeoSLAM所生成點云的坐標轉換、編輯取樣，獲得DEM高程模型等數字化成果。

1.3 TBC通道模塊進行道路設計

運用TBC通道模板創建道路水平定線，創建定線時TBC提供多種方式：導入設計CAD數據、在TBC中繪制一條三維折線、手動輸入定線參數等。道路斷面模板里設置路面、路肩、邊坡、排水溝、護坡等道路設計要素，進而快速、準確地完成道路設計。

2 項目應用分析

2.1 測區概況

G106至S209公路改建工程起點位于G106線上，終止S209線上。建設里程3.625 km；其中新建段0.915 km，加寬改建段2.710 km。該道路主要服務于沿線各村的生產、生活需要。現有道路修建等級較低，路面結構較為薄弱，隨著沿線經濟發展、交通量急劇增加，現有路面寬度已不能滿足車輛通行的需要，致使道路通行能力降低。近年來，經濟發展同樣也帶動交通的發展，為了適應經濟發展，服務沿線農業和農村建設，擬對本道路進行改擴建。

項目測區為一段需要單側擴建的鄉村水泥路，原始路面寬度為5 m，現需要將道路右側(南側)加寬至9 m。擴建路段全長2710 m，沿途跨過4條旱河，在設計擴建方案時，需要考慮沿途橋梁與涵洞，進行三維激光掃描，可以生成高精度實景點云模型進行三維分析。

2.2 三維激光掃描外業流程

2.2.1 控制點布設

本項目共做兩組測試，第1組測試每400 m做一次閉合掃描，將測區分為4個區段，共布設5個控制點，如圖1所示；第2組測試每200 m做一次閉合掃描，將測區分為8個區段，共布設9個控制點，如圖2所示。

為了提高控制點布設效率，現場使用定制靶球，將對中桿、標靶球和GPS接收機集成于一體，只需要準備兩套即可。在單段掃描時將兩套靶球分別放置在首尾處。當第一個區段掃描結束后，將首端處的靶球轉移到下一段的末端，而尾端處的靶球作為下一區段的首段控制點保持不動。通過對GPS坐標的計算，可以得到靶球的球心坐標，如圖3所示。

圖1 測試1分段掃描示意圖

2.2.2 區段掃描

由于SLAM算法的本質是特征匹配，為了獲得精度更高的點云數據，在外業掃描時需要盡可能地形成閉合環。同時兩次區段掃描需要有足夠的重疊部分。本次項目的兩次測試都采用了“8”型掃描路線，以下為兩種比較好的策略，如圖4、圖5所示。

圖5 策略2：區段中心為初始化點

2.3 數據處理

2.3.1 點云提取

數據處理首先使用該系統配置軟件將SLAM數據和IMU數據融合，生成通用格式的點云數據。在處理時需要對軟件的參數進行調節。

2.3.2 點云拼接

點云拼接是依據重疊部分的點云特征將兩段數據拼接起來，這一步操作時應將縮放參數定義為1。即使兩個掃描區段在重疊區域獲取的點云存在形態差異也應原狀保留，作為后期精度分析的參考因子。

GeoSLAM自帶的慣導單元能夠保證數據成果的高程軸正確，因此在拼接之前要在TRW中將所有點云文件設置為“已整平測站”，這樣能保證兩段數據拼接時高程軸鎖定，被移動的點云參考基準點云做4參數變換(3個平移量，一個繞高程軸的旋轉量)，相對于不鎖定高程軸時的6參數變化來說成果精度更高。

2.3.3 地理坐標系轉換

地理坐標系轉換是通過對現場的標靶球賦予絕對坐標，實現點云成果的坐標定義。先將GPS的坐標信息通過高程值改正轉換成靶球中心坐標，直接導入TRW點云處理軟件中。在TRW軟件中提取靶球，并為其選擇對應的控制點。本項目所有靶球目標均在同一款軟件(TRW)中依據同一款硬件設備(GeoSLAM)獲取的點云來擬合，兩個230 mm直徑的靶球制作工藝嚴謹，擬合誤差均小于1 cm，較為穩定。因此認為靶球的擬合誤差為系統誤差，本次分析地理坐標轉換殘差時，對靶球擬合精度忽略不計。

表1、表2為兩次測試對應的地理坐標轉化殘差。殘差值是在地理坐標轉化時，控制點實際位置與點云中靶球位置的斜距。對數據精度評價有著很大的參考意義。通過控制點轉換殘差表可以得出，當區段為200 m時，使用GeoSLAM獲取的點云精度比區段為400 m時更高。