車載激光掃描技術(shù)在公路帶狀圖測量中的應(yīng)用

郭 保

（新疆維吾爾自治區(qū)第一測繪院，新疆 昌吉 831100）

0.引言

在公路測繪中通常是以全野外的方式來獲取測量數(shù)據(jù)。由于需要測量人員進(jìn)行大量的地面作業(yè)，作業(yè)周期較長，且工作效率低下，很難適應(yīng)當(dāng)前道路改擴(kuò)建的需求。車載激光掃描系統(tǒng)是將汽車作為載體，搭載三維激光掃描系統(tǒng)，在車輛行進(jìn)的過程中得到道路兩側(cè)的點云數(shù)據(jù)，再通過軌跡匹配以及點云解析獲得目標(biāo)點位的三維坐標(biāo)。近年來隨著三維激光掃描系統(tǒng)的不斷完善和進(jìn)步，車載激光掃描技術(shù)在各行各業(yè)有著更廣泛的應(yīng)用價值。

1.車載激光掃描技術(shù)的工作原理及特點

1.1 工作原理

車載激光掃描系統(tǒng)是將三維激光掃描儀、導(dǎo)航定位系統(tǒng)和慣導(dǎo)系統(tǒng)聯(lián)合使用，實現(xiàn)對動態(tài)掃描快速定位的測量系統(tǒng)。其工作原理是車輛在移動過程中，GPS測量記錄掃描儀運行軌跡在世界坐標(biāo)系中的實時位置；激光掃描儀則記錄目標(biāo)的大小、形態(tài)和距離；慣導(dǎo)系統(tǒng)則計算掃描儀的運行姿態(tài)；然后利用時間和空間上的檢校信息，通過統(tǒng)一的地理參考和解析處理實現(xiàn)動態(tài)實時的獲取目標(biāo)點三維坐標(biāo)信息的功能。

車載激光掃描系統(tǒng)（如圖1所示）主要由以下幾部分組成：三維激光掃描儀、GNSS天線、高精度IMU、電子轉(zhuǎn)臺、里程計、線陣相機(jī)和筆記本電腦；三維激光掃描儀、相機(jī)和慣導(dǎo)系統(tǒng)固定在電子轉(zhuǎn)臺上，里程計安裝在車輛的輪胎上。

圖1 車載激光掃描系統(tǒng)

1.1.1 車載激光掃描系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)同步

車載多傳感器同步技術(shù)是車載三維激光掃描技術(shù)的重中之重。首先通過同步控制軟件將各組件開始數(shù)據(jù)采集的時間相統(tǒng)一；然后采集數(shù)據(jù)時以流動站衛(wèi)星定位接收機(jī)的時間為標(biāo)準(zhǔn)，GPS向激光和慣導(dǎo)系統(tǒng)不斷地發(fā)秒脈沖與此同時激光與慣導(dǎo)系統(tǒng)向衛(wèi)星定位接收機(jī)的I/O口打標(biāo)，這樣就能將激光和慣導(dǎo)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)貼上世界協(xié)調(diào)時的標(biāo)簽，而激光發(fā)出的秒脈沖可以通過電子轉(zhuǎn)臺和線陣相機(jī)的控制及來實現(xiàn)時間上的同步。衛(wèi)星定位接收機(jī)向安裝在輪胎上的里程計發(fā)出脈沖，用來控制其數(shù)據(jù)的采集，再對各個傳感器采集到的觀測數(shù)據(jù)值進(jìn)行外推和內(nèi)插，這樣就可以保證每個傳感器的數(shù)據(jù)建立在共同的時間坐標(biāo)軸上，也就能實現(xiàn)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)的融合處理，各個系統(tǒng)的時間同步實現(xiàn)（如圖2所示）：

圖2 時間同步實現(xiàn)示意圖

1.1.2 GPS和IMU相輔相成

GPS可以提供非常準(zhǔn)確的位置，有著較高的穩(wěn)定性。雖然利用GPS差分定位技術(shù)可以得到厘米級的精度，但由于大型的構(gòu)建筑物的遮擋或多路徑效應(yīng)，經(jīng)常會遇到一直處于浮動狀態(tài)、定位精度差的情況。慣導(dǎo)系統(tǒng)卻具備在不良環(huán)境中能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)輸出的優(yōu)點，其有較高的穩(wěn)定性，缺點是伴隨著時間積累，導(dǎo)航精度下降。車載三維激光掃描系統(tǒng)加入慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行輔助導(dǎo)航定位，正好能與GPS取長補(bǔ)短，如果GPS因為遮擋失去鎖定時，慣導(dǎo)系統(tǒng)這時就可以發(fā)揮作用，繼續(xù)提供導(dǎo)航服務(wù)，較好地處理了衛(wèi)星失鎖的問題。

1.1.3 點云數(shù)據(jù)的匹配融合

慣導(dǎo)系統(tǒng)不但可以提供三維激光掃描系統(tǒng)的姿態(tài)信息，還可以提供較為精確的定位信息，從而求出各個掃描點的偏移坐標(biāo)，再將偏移坐標(biāo)和掃描車的瞬時大地坐標(biāo)兩兩相加，就可以獲取掃描點在大地坐標(biāo)下的坐標(biāo)值了。在掃描時刻掃描點的單點坐標(biāo)，按照掃描點的空間姿態(tài)，去跟掃描儀獲取的距離參數(shù)和角度參數(shù)進(jìn)行匹配，就可以推算得到激光點云數(shù)據(jù)，而且將融合后的三維激光點云數(shù)據(jù)和線陣相機(jī)所獲取的物體的紋理數(shù)據(jù)再一次進(jìn)行融合，就能得到真彩色的激光點云數(shù)據(jù)。

1.2 車載激光掃描技術(shù)的特點

（1）高精度。能夠提供高達(dá)6cm的測量精度；

（2）高效率。可快速大量采集空間點信息，可風(fēng)雨無阻地作業(yè)，項目時間大幅縮減；

（3）低強(qiáng)度。人員僅需要操作筆記本電腦，避免日曬雨淋，大量外業(yè)工作轉(zhuǎn)至內(nèi)業(yè)；

（4）數(shù)據(jù)獲取自動化。車載激光掃描系統(tǒng)各傳感器相輔相成，再加上成熟配套軟件，獲取數(shù)據(jù)安全可靠，自動化程度高；

（5）數(shù)據(jù)獲取可視化。獲取的點云數(shù)據(jù)可以全面地反映地形或地貌的表面特征，更加準(zhǔn)確、直觀，一目了然。

2.案例選取

2.1 項目概況

該項目為S245線，建設(shè)項目64000m設(shè)計路線長度，500m帶寬1∶2000的帶狀地形圖測量，作業(yè)區(qū)域位于哈密盆地南部的剝蝕地段。地勢東南高，西北低。測區(qū)地貌以戈壁灘為主，另外有部分沙丘地，測區(qū)中南部有部分山地及丘陵地，溝谷較發(fā)育。

配套軟硬件包括硬件：采集車輛是三菱帕杰羅，V73RIEGLVMZ-1000激光掃描系統(tǒng)一套及Trimble5800GPS基站一臺；中測瑞格POSPacMMS7.2軌跡解算軟件；中測瑞格數(shù)據(jù)采集軟件RRiACQUIRE-MLS；瑞格點云編輯軟件及數(shù)據(jù)處理軟件RiPROCESS；瑞格應(yīng)用軟件RiScanPro。

2.2 項目實施的技術(shù)路線

項目實施的技術(shù)路線主要分為三大部分：（1）外業(yè)數(shù)據(jù)采集；（2）點云數(shù)據(jù)處理；（3）精度驗證及數(shù)據(jù)編輯。具體技術(shù)路線（如圖3所示）：

圖3 技術(shù)路線流程圖

2.2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程

對于公路帶狀圖數(shù)據(jù)的獲取，采用車載激光掃描系統(tǒng)對道路進(jìn)行平移式推掃，在推掃前請設(shè)定好行進(jìn)路線，按照往返路線各采集一遍，這樣就能更加準(zhǔn)確地獲其道路兩側(cè)的紋理信息。

（1）在距離線路20km以內(nèi)的控制點上架設(shè)基準(zhǔn)站；

（2）車載系統(tǒng)GPS衛(wèi)星定位接收機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下對測量車進(jìn)行實時位置測量5min；

（3）由慣導(dǎo)系統(tǒng)計算GPS接收機(jī)、三維激光掃描儀的實時姿態(tài)信息；

（4）通過加速、減速，改變車輛的方向，在車載三維激光掃描系統(tǒng)的指標(biāo)均符合限差以后，由三維激光掃描儀（LS）、GNSS、IMU、車輪解碼器（DMI）對以靜態(tài)基站點20km內(nèi)的道路兩側(cè)進(jìn)行測量；

（5）最后基于慣導(dǎo)系統(tǒng)獲取掃描儀的實時姿態(tài)信息，通過聯(lián)合解算獲得點云數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)。導(dǎo)出的點云數(shù)據(jù)圖（如圖4所示）：

圖4 點云數(shù)據(jù)圖

2.2.2 點云數(shù)據(jù)處理操作流程

（1）將采集得到的掃描車軌跡數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)、點云數(shù)據(jù)進(jìn)行GPS差分處理，完成掃描車的軌跡解算；

（2）點云數(shù)據(jù)進(jìn)行平差計算后與軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配；

（3）點云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換并進(jìn)行噪點消除和去植被處理；

（4）開展數(shù)據(jù)建模、地物的提取與繪制、地形圖編輯。

2.2.3 精度驗證

本項目一共布設(shè)了128個檢查點，檢測其平面坐標(biāo)及水準(zhǔn)高程，然后通過與點云數(shù)據(jù)中提取與之相對應(yīng)的點進(jìn)行坐標(biāo)比對，從而檢核車載三維激光掃描系統(tǒng)的測量精度。從表1精度統(tǒng)計表可知：點云數(shù)據(jù)平面精度優(yōu)于6cm，高程精度優(yōu)于4cm。

表1 精度統(tǒng)計表

3.提高車載激光掃描系統(tǒng)測量精度的方法

通過一系列地測試和分析，認(rèn)為做好以下5點工作可以進(jìn)一步提高車載激光掃描系統(tǒng)測量精度:

（1）車載激光掃描系統(tǒng)的精度與基準(zhǔn)站的定位精度正相關(guān)，所以在作業(yè)的過程中就要盡可能降低基站對中、整平誤差，從而減少基準(zhǔn)站的傳導(dǎo)誤差；

（2）車載激光掃描系統(tǒng)的精度與掃描車到基準(zhǔn)站的距離負(fù)相關(guān)，距離越遠(yuǎn)精度越差，盡可能地讓其間距不超過20km；

（3）要始終保持定位定姿的平衡。對于地貌起伏較大的復(fù)雜地區(qū)的車載三維激光掃描作業(yè)要求車速不能過快，車速基本保持在20km/h～25km/h勻速前進(jìn)。路況好，路面平整度高的地區(qū)，車速基本保持在30km/h～40km/h的范圍內(nèi)勻速前進(jìn)。需要注意的是車速也不能過慢，如果車速低于20km/h，車載的IMU不能正常進(jìn)行姿態(tài)測量，無法有效獲取三維激光掃描儀的高低角、偏航角及滾動角；

（4）根據(jù)項目實際情況，對車載掃描中存在的盲區(qū)或是重點區(qū)域需要能加掃描時間或者進(jìn)行停車定點精細(xì)掃描；

（5）由于三維激光掃描儀在獲取點云數(shù)據(jù)時產(chǎn)生一些不需要的點云或者是噪音點，就需要對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾和去噪，這時就需要多一些耐心，反復(fù)多操作幾遍；將無用的點云數(shù)據(jù)盡可能地刪除干凈。

4.結(jié)束語

車載激光掃描技術(shù)由于克服了傳統(tǒng)測量技術(shù)的局限性，具有效率高、低成本、測量精度穩(wěn)定等特點；隨著測繪新技術(shù)的不斷推進(jìn)，車載激光掃描技術(shù)作為一種先進(jìn)的數(shù)據(jù)獲取手段，憑借實用性強(qiáng)、精確度高、數(shù)據(jù)采樣率高等優(yōu)勢在公路測量領(lǐng)域顯現(xiàn)出極大的技術(shù)優(yōu)勢，也必將擁有更廣闊的市場前景。