車載激光掃描技術(shù)在公路帶狀圖測(cè)量中的應(yīng)用

郭 保

（新疆維吾爾自治區(qū)第一測(cè)繪院，新疆 昌吉 831100）

0.引言

在公路測(cè)繪中通常是以全野外的方式來獲取測(cè)量數(shù)據(jù)。由于需要測(cè)量人員進(jìn)行大量的地面作業(yè)，作業(yè)周期較長(zhǎng)，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(diǎn)云數(shù)據(jù)，再通過軌跡匹配以及點(diǎn)云解析獲得目標(biāo)點(diǎn)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(jià)值。

1.車載激光掃描技術(shù)的工作原理及特點(diǎn)

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(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)掃描快速定位的測(cè)量系統(tǒng)。其工作原理是車輛在移動(dòng)過程中，GPS測(cè)量記錄掃描儀運(yùn)行軌跡在世界坐標(biāo)系中的實(shí)時(shí)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(jì)算掃描儀的運(yùn)行姿態(tài)；然后利用時(shí)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的獲取目標(biāo)點(diǎn)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(tái)、里程計(jì)、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(tái)上，里程計(jì)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(shí)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(shí)間相統(tǒng)一；然后采集數(shù)據(jù)時(shí)以流動(dòng)站衛(wèi)星定位接收機(jī)的時(shí)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(shí)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(shí)的標(biāo)簽，而激光發(fā)出的秒脈沖可以通過電子轉(zhuǎn)臺(tái)和線陣相機(jī)的控制及來實(shí)現(xiàn)時(shí)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(jì)發(fā)出脈沖，用來控制其數(shù)據(jù)的采集，再對(duì)各個(gè)傳感器采集到的觀測(cè)數(shù)據(jù)值進(jìn)行外推和內(nèi)插，這樣就可以保證每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)建立在共同的時(shí)間坐標(biāo)軸上，也就能實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)的融合處理，各個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間同步實(shí)現(xiàn)（如圖2所示）：

圖2 時(shí)間同步實(shí)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(jí)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(huì)遇到一直處于浮動(dòng)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(diǎn)，其有較高的穩(wěn)定性，缺點(diǎn)是伴隨著時(shí)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(zhǎng)補(bǔ)短，如果GPS因?yàn)檎趽跏ユi定時(shí)，慣導(dǎo)系統(tǒng)這時(shí)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(diǎn)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(gè)掃描點(diǎn)的偏移坐標(biāo)，再將偏移坐標(biāo)和掃描車的瞬時(shí)大地坐標(biāo)兩兩相加，就可以獲取掃描點(diǎn)在大地坐標(biāo)下的坐標(biāo)值了。在掃描時(shí)刻掃描點(diǎn)的單點(diǎn)坐標(biāo)，按照掃描點(diǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)，而且將融合后的三維激光點(diǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1.2 車載激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)

（1）高精度。能夠提供高達(dá)6cm的測(cè)量精度；

（2）高效率。可快速大量采集空間點(diǎn)信息，可風(fēng)雨無阻地作業(yè)，項(xiàng)目時(shí)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(dòng)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(dòng)化程度高；

（5）數(shù)據(jù)獲取可視化。獲取的點(diǎn)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(xiàng)目概況

該項(xiàng)目為S245線，建設(shè)項(xiàng)目64000m設(shè)計(jì)路線長(zhǎng)度，500m帶寬1∶2000的帶狀地形圖測(cè)量，作業(yè)區(qū)域位于哈密盆地南部的剝蝕地段。地勢(shì)東南高，西北低。測(cè)區(qū)地貌以戈壁灘為主，另外有部分沙丘地，測(cè)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(tái)；中測(cè)瑞格POSPacMMS7.2軌跡解算軟件；中測(cè)瑞格數(shù)據(jù)采集軟件RRiACQUIRE-MLS；瑞格點(diǎn)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(xiàng)目實(shí)施的技術(shù)路線

項(xiàng)目實(shí)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(diǎn)云數(shù)據(jù)處理；（3）精度驗(yàn)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(duì)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(duì)道路進(jìn)行平移式推掃，在推掃前請(qǐng)?jiān)O(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(diǎn)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(duì)測(cè)量車進(jìn)行實(shí)時(shí)位置測(cè)量5min；

（3）由慣導(dǎo)系統(tǒng)計(jì)算GPS接收機(jī)、三維激光掃描儀的實(shí)時(shí)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(duì)以靜態(tài)基站點(diǎn)20km內(nèi)的道路兩側(cè)進(jìn)行測(cè)量；

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

圖4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖

2.2.2 點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行平差計(jì)算后與軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配；

（3）點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換并進(jìn)行噪點(diǎn)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(yàn)證

本項(xiàng)目一共布設(shè)了128個(gè)檢查點(diǎn)，檢測(cè)其平面坐標(biāo)及水準(zhǔn)高程，然后通過與點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取與之相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)比對(duì)，從而檢核車載三維激光掃描系統(tǒng)的測(cè)量精度。從表1精度統(tǒng)計(jì)表可知：點(diǎn)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(jì)表

3.提高車載激光掃描系統(tǒng)測(cè)量精度的方法

通過一系列地測(cè)試和分析，認(rèn)為做好以下5點(diǎn)工作可以進(jìn)一步提高車載激光掃描系統(tǒng)測(cè)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(duì)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(duì)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(cè)量，無法有效獲取三維激光掃描儀的高低角、偏航角及滾動(dòng)角；

（4）根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，對(duì)車載掃描中存在的盲區(qū)或是重點(diǎn)區(qū)域需要能加掃描時(shí)間或者進(jìn)行停車定點(diǎn)精細(xì)掃描；

（5）由于三維激光掃描儀在獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生一些不需要的點(diǎn)云或者是噪音點(diǎn)，就需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾和去噪，這時(shí)就需要多一些耐心，反復(fù)多操作幾遍；將無用的點(diǎn)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(cè)量技術(shù)的局限性，具有效率高、低成本、測(cè)量精度穩(wěn)定等特點(diǎn)；隨著測(cè)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(shí)用性強(qiáng)、精確度高、數(shù)據(jù)采樣率高等優(yōu)勢(shì)在公路測(cè)量領(lǐng)域顯現(xiàn)出極大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，也必將擁有更廣闊的市場(chǎng)前景。