車(chē)載移動(dòng)激光掃描在道路改擴(kuò)建中的應(yīng)用

談嶸，紀(jì)思源，曹媛媛

(常州市測(cè)繪院，江蘇 常州 213001)

1 引 言

隨著城市的發(fā)展，道路的改擴(kuò)建測(cè)量需求不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)作業(yè)方式主要使用全站儀和水準(zhǔn)儀結(jié)合，采集道路斷面高程和二維平面地形圖數(shù)據(jù)信息，再根據(jù)項(xiàng)目需求提取所需點(diǎn)位三維信息，勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率低。與此同時(shí)，由于缺乏精確的細(xì)部特征和高密度的DEM支持，無(wú)法為后續(xù)的三維規(guī)劃提供依據(jù)，在高速和高架等路段數(shù)據(jù)獲取方面也具有一定危險(xiǎn)性[1]。車(chē)載移動(dòng)激光掃描測(cè)量系統(tǒng)采用非接觸主動(dòng)測(cè)量方式，自動(dòng)化程度高、機(jī)動(dòng)靈活、周期短、高分辨率、高精度、實(shí)時(shí)獲取多源三維空間數(shù)據(jù)等優(yōu)勢(shì)[2，3]，為道路改擴(kuò)建、竣工驗(yàn)收測(cè)量等，提供完善的解決方案。

2 技術(shù)流程

本文經(jīng)工程實(shí)例研究，將技術(shù)流程總結(jié)如圖1所示：

圖1 技術(shù)流程

3 工程實(shí)例

本實(shí)驗(yàn)選擇常州某地道路改擴(kuò)建項(xiàng)目為案例，使用Leica Pegasus Two Ultimate車(chē)載激光掃描儀，該型號(hào)儀器搭配Z+F斷面儀，測(cè)距精度 1 mm，最大掃描距離 119 m，每秒掃描101萬(wàn)點(diǎn)，配備 2 400萬(wàn)全景相機(jī)系統(tǒng)，GNSS失鎖 10 s后，水平誤差 0.02 m，高程誤差 0.02 m，俯仰角/滾動(dòng)角誤差0.008°，朝向角誤差0.013°。

3.1 外業(yè)采集

車(chē)載移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)由激光掃描儀、數(shù)碼全景相機(jī)、高精度差分POS系統(tǒng)等組成[4]，GNSS獲取位置信息，慣導(dǎo)IMU獲取姿態(tài)和加速度參數(shù)，里程計(jì)DMI修正慣導(dǎo)IMU姿態(tài)漂移，通過(guò)同步觸發(fā)裝置，激光點(diǎn)云與全景照片通過(guò)GNSS時(shí)間進(jìn)行同步匹配，根據(jù)數(shù)碼相機(jī)與激光掃描儀的固定剛體幾何關(guān)系，多傳感器數(shù)據(jù)的融合處理，獲取真彩色點(diǎn)云和全景相片。

外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)需注意事項(xiàng)：

(1)選擇視野良好的開(kāi)闊區(qū)域進(jìn)行初始化；

(2)對(duì)于可能存在的GNSS信號(hào)失鎖和干擾區(qū)域快速通過(guò)；

(3)在車(chē)輛行駛過(guò)程中，車(chē)輛盡量控制勻速行駛，在失鎖的臨界位置，避免車(chē)身抖動(dòng)過(guò)大，保證車(chē)輛在行駛過(guò)程中的連貫性，確保獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整和連續(xù)性；

(4)盡量避開(kāi)人流和車(chē)輛高峰。

考慮到不同時(shí)段GNSS信號(hào)差異及地物遮擋因素，為保證獲取最優(yōu)的數(shù)據(jù)成果，分別對(duì)雙向車(chē)道進(jìn)行單向的兩次測(cè)量[5]。

圖2 作業(yè)區(qū)域 圖3 作業(yè)軌跡

圖2為此次實(shí)驗(yàn)作業(yè)區(qū)域，路線(xiàn)長(zhǎng)度 2.3 km，實(shí)際作業(yè)時(shí)采用往返測(cè)量，保證數(shù)據(jù)的完整性，分8段軌跡，最長(zhǎng)軌跡長(zhǎng)度 1.68 km，最短軌跡長(zhǎng)度 0.36 km，平均長(zhǎng)度 1.09 km，總長(zhǎng)度 8.73 km，拍照間隔為 3 m，圖3所示為此次作業(yè)按照GNSS時(shí)間生成軌跡。

3.2 軌跡解算

車(chē)載激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和具有內(nèi)外方位元素的照片是根據(jù)車(chē)輛作業(yè)軌跡生成的，因此，軌跡解算的精度直接影響后期生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

軌跡解算需要DMI、IMU、車(chē)載GNSS、基站GNSS數(shù)據(jù)聯(lián)合解算[6]。作業(yè)時(shí)需測(cè)量里程計(jì)DMI相對(duì)于儀器相位中心的改正數(shù)，同時(shí)記錄輪胎周長(zhǎng)；基站數(shù)據(jù)選擇覆蓋本次作業(yè)時(shí)間段的常州CORS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)作為后差分計(jì)算的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

軌跡解算采用Inertial Explore軟件，分別導(dǎo)入里程計(jì)、慣導(dǎo)、移動(dòng)GNSS數(shù)據(jù)和基站數(shù)據(jù)，在導(dǎo)入基站數(shù)據(jù)時(shí)，需根據(jù)架設(shè)的基站類(lèi)型，選擇相應(yīng)的天線(xiàn)，以及天線(xiàn)至基站相位中心的改正數(shù)，否則軌跡會(huì)出現(xiàn)整個(gè)向上或向下平移，導(dǎo)致最終生成的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。

圖4 數(shù)據(jù)覆蓋性檢查

圖4中CZSM和BTBX為基站數(shù)據(jù)，第一至第三行分別對(duì)應(yīng)DMI、IMU、車(chē)載GNSS數(shù)據(jù)。

圖5 車(chē)載GNSS_PDOP值

由圖5可以看出PDOP平均值為1.726，中誤差為2.485，標(biāo)準(zhǔn)差值為1.788，此次作業(yè)范圍內(nèi)環(huán)境對(duì)車(chē)載GNSS信號(hào)有一定的影響。

圖6所示為各點(diǎn)位的位置精度，具體誤差如圖7所示：

圖6 三方向精度統(tǒng)計(jì)

圖7 三方向誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

平面最大誤差均在5 mm以?xún)?nèi)，三方向最大誤差小于 1 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為 1.79 mm，解算的軌跡結(jié)果可以作為下一步生成點(diǎn)云和全景影像的依據(jù)。

3.3 真彩色點(diǎn)云生產(chǎn)

外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)，激光點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)采用壓縮方式保存，內(nèi)業(yè)需根據(jù)解算好的軌跡生成點(diǎn)云和影像。生產(chǎn)真彩色點(diǎn)云按照以下步驟：

(1)生成激光點(diǎn)云(此步驟建議不需要生產(chǎn)真彩色點(diǎn)云，節(jié)約時(shí)間和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空間)；

(2)重復(fù)測(cè)量路段，即軌跡交叉重復(fù)路段，需要進(jìn)行重復(fù)軌跡糾正，避免相同區(qū)域不同軌跡生成的點(diǎn)云出現(xiàn)分層情況；

(3)時(shí)間同步匹配，通過(guò)GNSS時(shí)間建立全景照片和激光點(diǎn)云的對(duì)應(yīng)關(guān)系，導(dǎo)入糾正后軌跡，再根據(jù)全景相機(jī)和掃描儀的幾何關(guān)系，生成真彩色點(diǎn)云。

3.4 重復(fù)軌跡糾正

重復(fù)軌跡糾正必須要有重復(fù)掃描的路線(xiàn)和區(qū)域，比如“井”字形交叉，或者往返重復(fù)掃描；點(diǎn)云要有重疊；目前適用于相對(duì)偏差不太大、地形特征明顯的情況，如偏差不超過(guò) 30 cm，方形特征物等，采用三維點(diǎn)云自動(dòng)匹配方法。

主要步驟如下：

(1)尋找多次經(jīng)過(guò)重復(fù)掃描的同名點(diǎn)，計(jì)算完成后，同名點(diǎn)會(huì)以藍(lán)色三角點(diǎn)顯示在軌跡上；

(2)計(jì)算同名點(diǎn)之間的相對(duì)位置偏差；

(3)進(jìn)行整體糾正迭代運(yùn)算，計(jì)算殘差，生成糾正后的軌跡；

(4)依據(jù)糾正后的軌跡生成真彩色點(diǎn)云。

經(jīng)重復(fù)軌跡計(jì)算后得到的同名點(diǎn)(圖8、圖9)：

圖8 車(chē)載軌跡路線(xiàn)圖 圖9 重復(fù)軌跡同名點(diǎn)匹配

3.5 精度控制

為了進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)據(jù)的有效性，在外業(yè)采集時(shí)，在路面布設(shè)標(biāo)靶紙[7]，主要作用有兩點(diǎn)：①檢查車(chē)載點(diǎn)云解算精度；②糾正偏差較大的點(diǎn)云軌跡。采用RTK測(cè)量靶心的平面坐標(biāo)，高程采用四等水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)成果，如圖10、圖11所示，共布設(shè)7個(gè)檢查點(diǎn)：

圖10標(biāo)靶控制與檢核點(diǎn) 圖11控制點(diǎn)點(diǎn)位分布

圖12(a)、(b)所示即為本次作業(yè)區(qū)域生成的最終真彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)：

圖12 真彩色激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)

4 作業(yè)效率比對(duì)

本次實(shí)驗(yàn)選擇的道路分別按照全野外實(shí)測(cè)與移動(dòng)車(chē)載作業(yè)兩種方法比對(duì)作業(yè)效率，如表1所示：

作業(yè)效率比對(duì) 表1

從作業(yè)效率方面可知，車(chē)載激光掃描節(jié)省了大量的外業(yè)時(shí)間，采集的數(shù)據(jù)更加全面，適合用于城市規(guī)劃。

5 成果精度比對(duì)

5.1 控制點(diǎn)精度對(duì)比

將試驗(yàn)區(qū)內(nèi)控制點(diǎn)平面坐標(biāo)與水準(zhǔn)高程通過(guò)RTK測(cè)量數(shù)據(jù)與車(chē)載數(shù)據(jù)進(jìn)行精度比對(duì)(表2)，數(shù)據(jù)顯示平面最大偏差 2 cm，高程最大 2.1 cm，誤差精度數(shù)據(jù)表明車(chē)載點(diǎn)云數(shù)據(jù)滿(mǎn)足工程應(yīng)用要求。

控制點(diǎn)精度對(duì)比表(數(shù)據(jù)經(jīng)加密處理) 表2

續(xù)表2

5.2 成果數(shù)據(jù)

將處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)加載至CAD中進(jìn)行道路邊線(xiàn)、花圃、路燈等道路相關(guān)地物的繪制，得到道路中的相關(guān)數(shù)據(jù)，圖13、圖14分別為疊加點(diǎn)云后道路數(shù)據(jù)和未疊加點(diǎn)云道路數(shù)據(jù)。

圖13 疊加點(diǎn)云后道路數(shù)據(jù)

圖14 未疊加點(diǎn)云道路數(shù)據(jù)

6 結(jié) 語(yǔ)

車(chē)載移動(dòng)激光掃描測(cè)量應(yīng)用與道路改擴(kuò)建工程，數(shù)據(jù)采集更加全面，精度滿(mǎn)足測(cè)量要求，提高了作業(yè)效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本，后期會(huì)加大對(duì)道路路面車(chē)輛等噪聲點(diǎn)的自動(dòng)剔除研究，降低噪聲干擾。