無(wú)人機(jī)輔助車(chē)載激光掃描在道路竣工中的應(yīng)用

趙萬(wàn)為

(上海市測(cè)繪院，上海 200063)

1 引 言

測(cè)繪地理信息事業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要組成部分，也是全面小康社會(huì)建設(shè)的重要數(shù)字基礎(chǔ)，隨著測(cè)繪地理信息事業(yè)“十三五”規(guī)劃的有序推進(jìn)，地理信息的獲取也更加高效化、智能化，為測(cè)繪地理信息發(fā)展注入了強(qiáng)大動(dòng)力，測(cè)繪生產(chǎn)模式也已經(jīng)從傳統(tǒng)的人工測(cè)繪逐漸發(fā)展到“天地空”一體化的測(cè)繪生產(chǎn)模式，尤其是激光點(diǎn)云和傾斜模型技術(shù)的發(fā)展成熟，在工程測(cè)量、數(shù)字城市建模、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，發(fā)揮了重要作用。

道路規(guī)劃竣工驗(yàn)收測(cè)量是城市測(cè)繪單位重要的作業(yè)領(lǐng)域，目前主要采用全站儀進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量的方式，工作效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且部分市政道路建成后即投入運(yùn)行，在進(jìn)行竣工驗(yàn)收測(cè)量時(shí)，路面車(chē)流量大、交通情況復(fù)雜，無(wú)法保障作業(yè)安全，傳統(tǒng)的道路竣工驗(yàn)收測(cè)量模式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足城市建設(shè)發(fā)展的需求。本文以道路規(guī)劃竣工驗(yàn)收測(cè)量為例，結(jié)合實(shí)際案例，介紹了無(wú)人機(jī)輔助車(chē)載激光掃描的應(yīng)用，以“天地空”一體化的測(cè)繪生產(chǎn)模式為道路竣工驗(yàn)收測(cè)量提供完善的解決方案。

2 車(chē)載激光掃描和無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

2.1 車(chē)載激光掃描技術(shù)

車(chē)載激光掃描是以機(jī)動(dòng)車(chē)作為搭載平臺(tái)，由激光測(cè)距儀(Laser)、全景影像系統(tǒng)、高精度全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)、高精度慣性傳感器(IMU)組成的新型測(cè)量?jī)x器，是計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光測(cè)距技術(shù)、定位定姿技術(shù)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)GNSS定位技術(shù)發(fā)展的綜合體現(xiàn)，主要用于線(xiàn)狀地物要素的測(cè)量。

目前，車(chē)載激光掃描儀主要用于道路要素的采集，利用車(chē)載平臺(tái)可以快速獲取道路輪廓特征、地表信息及全景影像，提高了工作效率，減少了運(yùn)行成本，降低了人工測(cè)量的安全隱患，在道路要素采集中得到了廣泛應(yīng)用。

2.2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影是利用飛行平臺(tái)搭載多個(gè)傾斜鏡頭進(jìn)行攝影，通過(guò)以從不同角度進(jìn)行影像采集，來(lái)獲取地表物體頂面和側(cè)面的影像數(shù)據(jù)，以此建立模型，更全面真實(shí)的反應(yīng)地面要素的實(shí)際情況。

目前，無(wú)人機(jī)傾斜攝影在各個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛使用，基于其建模的快速性、真實(shí)性、完整性，已經(jīng)深入到城市規(guī)劃與管理、應(yīng)急預(yù)案制定、數(shù)字孿生城市、國(guó)土資源管理等領(lǐng)域，此外，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在地形圖要素采集方面發(fā)揮著重要作用，隨著無(wú)人機(jī)高精度定位技術(shù)的發(fā)展，利用專(zhuān)業(yè)航攝儀已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn) 1∶500地形圖的制作。

2.3 多源數(shù)據(jù)應(yīng)用與融合

道路竣工驗(yàn)收測(cè)量包括道路邊界線(xiàn)測(cè)量、道路縱橫斷面測(cè)量、1∶500地形圖測(cè)量等，基于車(chē)載激光掃描技術(shù)與無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的特點(diǎn)，結(jié)合道路竣工驗(yàn)收測(cè)量的具體要求，采用無(wú)人機(jī)輔助車(chē)載激光掃描，可以快速準(zhǔn)確的完成道路竣工驗(yàn)收測(cè)量：車(chē)載激光掃描技術(shù)由于坐標(biāo)精度高、點(diǎn)云質(zhì)量好、針對(duì)性強(qiáng)，適用于道路邊界線(xiàn)與縱橫斷面測(cè)量；無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)由于建模自動(dòng)化高、采集要素全面，適用于 1∶500地形圖測(cè)量，兩者數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以更好地應(yīng)用于道路竣工驗(yàn)收測(cè)量。

同時(shí)，為保證激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與傾斜模型數(shù)據(jù)的匹配，在進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取時(shí)，基站的架設(shè)、像控點(diǎn)的測(cè)量、校驗(yàn)點(diǎn)的檢測(cè)，應(yīng)采用統(tǒng)一的坐標(biāo)基準(zhǔn)。如果現(xiàn)場(chǎng)像控點(diǎn)布設(shè)困難，可以利用車(chē)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)ICP(Iterative Closest Point，最近點(diǎn)迭代算法)算法，對(duì)傾斜攝影生成的稀疏點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)，從而生成更高精度的三角網(wǎng)，最后再對(duì)三角網(wǎng)進(jìn)行貼膜處理，得到高精度傾斜模型。

3 應(yīng)用案例

上海市沿江通道工程位于上海市東北方向，連接寶山區(qū)和浦東新區(qū)，主線(xiàn)東起雙江路，與外環(huán)高速對(duì)接，西至杜丹江路，與富錦路對(duì)接，跨越黃浦江入海口，可以大體分為浦東接線(xiàn)道路段、隧道段以及浦西接線(xiàn)道路段(如圖1所示)。

圖1 沿江通道工程范圍示意圖

上海市測(cè)繪院負(fù)責(zé)沿江通道的道路竣工驗(yàn)收測(cè)量工作，其中隧道段采用常規(guī)的導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量法，在道路通車(chē)前已完成了數(shù)據(jù)采集，而浦東接線(xiàn)道路段(約 6.3 km)和浦西接線(xiàn)道路段(約 0.6 km)在施工完成后，較早地投入了運(yùn)行，未能完成數(shù)據(jù)采集，且兩側(cè)接線(xiàn)段道路主要是高架快車(chē)道，路面交通情況復(fù)雜，存在安全隱患，無(wú)法采用常規(guī)的測(cè)量手段。項(xiàng)目組基于車(chē)載激光掃描儀及無(wú)人機(jī)遙感影像的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合道路竣工驗(yàn)收測(cè)量的技術(shù)要求，采用無(wú)人機(jī)輔助車(chē)載激光掃描的方法進(jìn)行道路竣工測(cè)量。

3.1 車(chē)載激光點(diǎn)云的采集與處理

(1)儀器選擇

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集使用的是華測(cè)車(chē)載移動(dòng)掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了高精度激光掃描儀、高分辨率全景相機(jī)、GNSS設(shè)備以及慣導(dǎo)系統(tǒng)，以汽車(chē)作為載體，可以快速精確的獲取道路點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 車(chē)載移動(dòng)掃描系統(tǒng)

(2)外業(yè)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集前，收集測(cè)區(qū)已有的地形數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)地踏勘，確認(rèn)采集范圍內(nèi)的道路交通狀況，合理規(guī)劃采集線(xiàn)路，并確定基站與控制點(diǎn)的布設(shè)位置，盡量選擇GNSS信號(hào)良好的區(qū)域。

經(jīng)實(shí)地踏勘，采集區(qū)域既有普通道路也有高架道路，普通道路每隔 300 m布設(shè)一個(gè)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)可以布設(shè)標(biāo)靶或采用路面明顯的標(biāo)志，用作點(diǎn)云位置糾正，高架道路考慮到安全因素，應(yīng)在有條件的應(yīng)急車(chē)道或路口布設(shè)控制點(diǎn)。由于現(xiàn)場(chǎng)地勢(shì)開(kāi)闊，GNSS信號(hào)較好，可以適當(dāng)減少控制點(diǎn)的數(shù)量，但車(chē)道轉(zhuǎn)彎處、車(chē)道起伏變化處應(yīng)布設(shè)控制點(diǎn)，本次作業(yè)共布設(shè)控制點(diǎn)15個(gè)。控制點(diǎn)以平高控制點(diǎn)為主，采用圖根控制點(diǎn)測(cè)量方法，按照DG/TJ08-2121-2013《衛(wèi)星定位測(cè)量技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求執(zhí)行。

在浦東接線(xiàn)道路段和浦西接線(xiàn)道路段分別選取兩個(gè)GPS點(diǎn)作為基站點(diǎn)，滿(mǎn)足測(cè)區(qū)內(nèi)任意位置與基站間的距離小于 15 km，基站采集時(shí)間應(yīng)包含車(chē)載點(diǎn)云采集的時(shí)間，采集頻率為 1 Hz，有效作業(yè)時(shí)間內(nèi)，固定解比例超過(guò)95%。

控制點(diǎn)與基站點(diǎn)布設(shè)完成后，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，為保證點(diǎn)云采集的完整性，應(yīng)在車(chē)流量較少的時(shí)段進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，采集車(chē)輛時(shí)速控制在 60 km/h以下，盡量勻速行駛。點(diǎn)云采集完成后，及時(shí)對(duì)當(dāng)天的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整與準(zhǔn)確。

(3)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、軌跡解算、點(diǎn)云解算、點(diǎn)云糾正、點(diǎn)云著色等。軌跡解算利用Inertial Explorer軟件，把基站觀測(cè)數(shù)據(jù)、移動(dòng)站觀測(cè)數(shù)據(jù)和慣導(dǎo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入進(jìn)來(lái)，通過(guò)緊耦合算法聯(lián)合進(jìn)行GNSS解算，得到移動(dòng)站的定位姿態(tài)數(shù)據(jù)，軌跡數(shù)據(jù)解算完成后如圖3所示，綠色部分表示軌跡GNSS信號(hào)較強(qiáng)，對(duì)應(yīng)浦東和浦西接線(xiàn)段，紫紅色表示軌跡GNSS信號(hào)較弱，對(duì)應(yīng)隧道段，本次僅利用浦東和浦西接線(xiàn)段部分點(diǎn)云；點(diǎn)云糾正利用Corefine軟件，導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)后進(jìn)行刺點(diǎn)，對(duì)原始軌跡進(jìn)行糾正，糾正后的軌跡再利用CoPre軟件，重新解算點(diǎn)云，得到糾正后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖3 軌跡數(shù)據(jù)示意圖

圖4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)示意圖

3.2 無(wú)人機(jī)傾斜影像的采集與處理

(1)儀器選擇

傾斜影像采集使用的是大疆“精靈4RTK”無(wú)人機(jī)，該無(wú)人機(jī)搭載了多頻高精度RTK模塊，通過(guò)后差分處理，可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位，云臺(tái)為單鏡頭相機(jī)，有效像素 2 000萬(wàn)，通過(guò)調(diào)整云臺(tái)角度、多次重復(fù)飛行來(lái)實(shí)現(xiàn)傾斜影像的采集。

(2)外業(yè)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集前，應(yīng)做好管控區(qū)域的排查、飛行空域的申請(qǐng)、起飛場(chǎng)地的選擇和應(yīng)急預(yù)案的制定，然后根據(jù)技術(shù)規(guī)范，完成飛行設(shè)計(jì)。

本次飛行作業(yè)相對(duì)航高為60 m，采樣分辨率為 1.64 cm，滿(mǎn)足1：500地形圖航空攝影測(cè)量的規(guī)范要求。航線(xiàn)的航向重疊度60%，旁向重疊度40%，由于攝區(qū)范圍較大，根據(jù)攝區(qū)形狀和范圍，將測(cè)區(qū)劃分為7個(gè)區(qū)域，分別進(jìn)行影像采集。利用無(wú)人機(jī)飛控平臺(tái)，把設(shè)計(jì)好的飛行參數(shù)輸入到平臺(tái)中，自動(dòng)完成航線(xiàn)的規(guī)劃。

像控點(diǎn)的布設(shè)按照DG/TJ08-86-2010《1∶500、1∶1 000、1∶2 000數(shù)字地形測(cè)量規(guī)范》中的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，攝區(qū)共布設(shè)26個(gè)像控點(diǎn)，以平高控制點(diǎn)為主，部分像控點(diǎn)作為檢查點(diǎn)。像控點(diǎn)的測(cè)量采用圖根控制點(diǎn)的測(cè)量方法，按照DG/TJ08-2121-2013《衛(wèi)星定位測(cè)量技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求執(zhí)行。

(3)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要包括影像數(shù)據(jù)檢查、導(dǎo)入影像數(shù)據(jù)及POS數(shù)據(jù)、導(dǎo)入像控點(diǎn)坐標(biāo)、像控刺點(diǎn)、空中三角測(cè)量、建立模型。影像數(shù)據(jù)檢查中，如果存在模糊、重影現(xiàn)象，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)拍，直到所有影像滿(mǎn)足建模要求，在進(jìn)行空中三角測(cè)量時(shí)，根據(jù)DG/TJ08-86-2010《1∶500、1∶1 000、1∶2 000數(shù)字地形測(cè)量規(guī)范》的要求，控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)的殘差需滿(mǎn)足表1要求，如果多次計(jì)算仍不滿(mǎn)足要求，則需要調(diào)整或增加控制點(diǎn)的數(shù)量，最終傾斜模型如圖5所示。

絕對(duì)定向精度要求 表1

圖5 傾斜模型數(shù)據(jù)示意圖

3.3 基于點(diǎn)云的道路要素提取

(1)道路邊線(xiàn)提取

將處理好的點(diǎn)云導(dǎo)入EPS三維工作平臺(tái)，結(jié)合全景影像數(shù)據(jù)，提取道路邊界線(xiàn)、道路中心線(xiàn)、道路分隔帶等要素的三維信息。

(2)道路縱橫斷面制作

道路縱斷面主要通過(guò)LISP工具自動(dòng)生成。將提取好的道路中線(xiàn)導(dǎo)出至CAD，利用LISP工具，提取道路中線(xiàn)的里程及對(duì)應(yīng)的高程，自動(dòng)生成道路縱斷面圖。

道路橫斷面采用LISP工具結(jié)合FME軟件，半自動(dòng)化完成。首先利用LISP工具，從道路中線(xiàn)起始位置，每隔 200 m自動(dòng)生成一個(gè)垂直于道路中線(xiàn)的矩形框，用于道路點(diǎn)云的裁剪，矩形長(zhǎng)邊設(shè)為道路的寬度，矩形短邊設(shè)為裁剪點(diǎn)云的厚度，把生成的矩形框單獨(dú)保存成CAD文件，打開(kāi)FME軟件，導(dǎo)入道路點(diǎn)云數(shù)據(jù)與矩形框的CAD文件，利用“Clipper”模塊，把點(diǎn)云按照CAD矩形框的大小裁剪成多個(gè)道路橫斷面點(diǎn)云，并根據(jù)矩形框的方向，旋轉(zhuǎn)每個(gè)道路橫斷面點(diǎn)云的方向至XY平面內(nèi)，最后用CAD單獨(dú)加載每個(gè)道路橫斷面點(diǎn)云，完成道路橫斷面的制作。

圖6 道路點(diǎn)云橫斷面示意圖

3.4 基于傾斜模型的地形要素提取

利用EPS三維工作平臺(tái)，生成可以讀取osgb格式傾斜模型的dsm文件，加載dsm文件后就可以進(jìn)行立體測(cè)圖了，立體測(cè)圖采用二三維聯(lián)動(dòng)的方式，以?xún)A斜模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選擇最佳視角，采集特征點(diǎn)或特征線(xiàn)，特征點(diǎn)的位置應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行采集。對(duì)于房屋密集或者存在嚴(yán)重遮擋的地物，務(wù)必在相應(yīng)位置做標(biāo)記，以便外業(yè)補(bǔ)測(cè)，地物、地貌要素應(yīng)按照J(rèn)SB501《1∶500地形圖DWG數(shù)據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的要求進(jìn)行表示。地形要素采集完成后，導(dǎo)出dwg文件，完成 1∶500地形圖的制作。

3.5 精度分析

為了驗(yàn)證無(wú)人機(jī)輔助車(chē)載激光掃描在道路竣工測(cè)量中的可行性，分別對(duì)道路要素和地形要素進(jìn)行了精度分析。

(1)道路要素精度統(tǒng)計(jì)分析

道路要素方面，利用GNSS RTK、全站儀、鋼尺對(duì)道路的特征點(diǎn)、橫斷面寬度進(jìn)行了抽樣檢測(cè)，利用水準(zhǔn)儀對(duì)道路中線(xiàn)點(diǎn)高程進(jìn)行了抽樣檢測(cè)，外業(yè)共采集了26個(gè)道路特征點(diǎn)、15個(gè)道路橫斷面和15個(gè)道路中心點(diǎn)高程，精度統(tǒng)計(jì)如下。

道路特征點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表 表2

道路橫斷面寬度精度統(tǒng)計(jì)表 表3

道路中線(xiàn)點(diǎn)高程精度統(tǒng)計(jì)表 表4

(2)地形要素精度統(tǒng)計(jì)分析

地形要素方面，利用GNSS RTK、全站儀對(duì)地形要素的特征點(diǎn)進(jìn)行了隨機(jī)測(cè)量，外業(yè)共采集了20個(gè)地形要素特征點(diǎn)，精度統(tǒng)計(jì)如表5所示。

地形特征點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表 表5

按照同精度檢測(cè)統(tǒng)計(jì)中誤差公式，可以計(jì)算得出特征點(diǎn)中誤差為 0.042 m，滿(mǎn)足《CJJ/T 8-2011城市測(cè)量規(guī)范》中次要地物要素點(diǎn)位中誤差不大于 70 mm的要求。

4 結(jié) 論

通過(guò)上海市沿江通道規(guī)劃竣工驗(yàn)收的實(shí)際案例，驗(yàn)證了無(wú)人機(jī)輔助車(chē)載激光掃描在道路竣工中應(yīng)用的可行性，該方案結(jié)合了車(chē)載激光掃描與無(wú)人機(jī)傾斜攝影的特點(diǎn)及精度，充分發(fā)揮了兩者的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提高了數(shù)據(jù)采集的效率，保障了道路測(cè)量的安全，對(duì)道路竣工，尤其是開(kāi)闊區(qū)域大范圍的新建道路竣工有一定的指導(dǎo)作用。

在項(xiàng)目的設(shè)施過(guò)程中，除了最終的成果報(bào)告以外，還有道路點(diǎn)云數(shù)據(jù)、傾斜模型數(shù)據(jù)和全景影像數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)除了可以完成竣工驗(yàn)收測(cè)量以外，也是數(shù)字城市建設(shè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可用于可量測(cè)街景及數(shù)字孿生城市的制作，隨著無(wú)人機(jī)及車(chē)載激光掃描儀在道路竣工應(yīng)用中的普及，勢(shì)必伴隨著點(diǎn)云數(shù)據(jù)、傾斜模型數(shù)據(jù)和全景影像數(shù)據(jù)的增多，如何在規(guī)劃驗(yàn)收環(huán)節(jié)眾籌此類(lèi)數(shù)據(jù)，更好的發(fā)揮數(shù)據(jù)價(jià)值，需要在今后工作中進(jìn)一步思考。