車載激光雷達移動測繪系統在高精度地圖采集中的應用

宋鶴寧 刁淑然

(1. 沐城測繪(北京)有限公司, 北京 100102;2. 北京誠易達通測繪所, 北京 100102)

0 引言

隨著智能導航、自動駕駛技術的發展,高精度導航地圖的采集愈發關鍵,對于自動駕駛來說,高精度導航地圖就是核心大腦。其采集方法多種多樣,可以通過傳統測繪的方式也可以通過三維掃描的方式獲取,但作業效率很低。隨著互聯網地圖服務、智慧城市建設、智能導航的發展,對數據獲取提出了新的要求——既要快速全面獲取高精度高分辨率地理信息,又要對地理信息進行及時、動態、自主更新,傳統的數字化測量工具和手段很難滿足該需求。目前激光測量技術在測繪工作中的應用越來越廣泛,其獨特的直接獲取目標物體三維點云數據的特點,與傳統測繪技術相比具有明顯優勢。

國內最早研究高精度地圖的是百度,目前越來越多的企業開始進行高精度地圖的布局,如四維圖新、高德、滴滴出行、中海庭、魔門塔、寬凳智云、江蘇晶眾、智途科技、華為等。通過高精度地圖采集車和編輯平臺,目前可生產出絕對精度20 cm的地圖數據,整體處于準備量產階段。不同于地圖廠商,寬凳科技、滴滴出行(桔視系統)在數據采集上引入眾包模式進行高精度地圖采集。

從行業發展來看,由于技術壁壘和資金壁壘較高,截至2020年3月,我國具備導航電子地圖甲級測繪資質企業僅22家,2020年和2021年獲得資質批準的為3家,分別是沈陽美行科技有限公司、中交宇科(北京)空間信息技術有限公司、北京航天宏圖信息技術股份有限公司。技術相對領先的主要有三家公司,四維圖新、高德和百度,基本完成我國30多萬km高速公路和城市快速路的地圖采集工作。

車載雷達移動測量技術是當今測繪界最前沿的科技之一,采用激光雷達技術和全球定位系統(global positioning system,GPS)/慣性測量單元(inertial measurement unit,IMU)組合導航定位技術,具有高效率和高精度的特點。目前業內做自動駕駛的行業領軍企業都在采用車載激光雷達移動采集系統作為高精度導航地圖(車道級道路底圖)的首選采集方式,例如，高德、百度、四維圖新、易圖通等傳統圖商,此外還有華為、滴滴、京東、美團、順豐、中海庭等企業。而車道級道路底圖是實現自動駕駛的關鍵所在,由于普通地圖的導航定位精確度在5 m左右,完全不能滿足自動駕駛的需求。高精度導航地圖憑借“高精”的特性,可實現厘米級精確定位,是自動駕駛車輛的重要組成部分。通過車載移動測量系統采集的數據融合后得到的三維點云,并繪制道路底圖,可以得到所需要的車道級道路底圖,可作為無人駕駛汽車的導航依據。本文將通過車載移動測量系統獲取激光點云數據,并以此為基礎制作高精度地圖數據,為同類型的測繪工程提供借鑒。

1 車載激光雷達移動測繪系統的優缺點

1.1 激光雷達測繪系統具有以下優點

相比傳統測量技術,激光雷達在測量方式和測量成果方面均有新的技術革新,可以獲取精準的三維坐標,不再需要通過數字攝影去獲得相應的影像,因此就簡化了整個測繪工作的內容,同時也保證相應的要求,從而降低了相應的工作成本。主要技術優勢是效率高、點云密度大、測量精度高、主動式測量、外業工作量低、具有多回波技術等。激光雷達測繪技術是一種比較先進的測繪手段,其在測繪工作中發揮著巨大的作用和優勢。車載激光雷達移動測繪系統具有如下優勢:

(1) 全天候作業,測繪速度快,安全操作,應用范圍廣泛;

(2) 激光點云數學精度高、采集密度大,數據非常詳細,可獲得高精度地物表面點云信息和高清影像數據;

(3) 非接觸性主動測量,抗干擾性強,附加的測量信息多,如影像、色彩等;

(4) 激光點云穿透性強,穿透植被直達地面,精確高速的數據捕獲、減少數據采集和分析的回轉次數;

(5) 一次掃描后可以在點云模型上進行反復的“模型測繪”,成圖周期短。

1.2 車載激光雷達測繪系統的缺點

(1) 系統平臺集成成本高,對于中小企業來說是相當大的經濟負擔;

(2) 對于路面的測量要求車載激光雷達測繪系統可以滿足,但是對邊皮外側區域存在盲區;

(3) 由于車輛的限制,車載激光雷達測繪系統相比機載激光雷達測繪系統有較大限制。

2 車載三維激光掃描系統的工作原理

2.1 系統集成

本項目中使用的車載三維激光掃描系統是由上海華測導航技術股份有限公司開發研制,如圖1所示,以帶車頂行李架的越野車為平臺,集成安裝了1臺奧地利瑞格(RIEGL)公司的激光掃描儀VUX-1HA(參數如表1)、1臺Ladybug5全景相機、1臺霍尼韋爾4 930慣性導航設備。

表1 RIEGL VUX-1HA參數

圖1 車載移動測量系統集成平臺

2.2 基站設置

方案1：架設靜態GPS基站,為保證移動測量系統精度,在測量過程中單個基站覆蓋的范圍不應超過半徑為10 km的區域。

方案2：免基站技術,采用千尋位置或者系統集成商提供的免基站服務,在采集外業開始前提交測區范圍文件獲取免基站服務的虛擬基站位置及作業時間段。

2.3 工作原理

激光掃描系統：通過高速激光掃描測量的方法,直接獲取高精度的數字表面模型,還可以同時獲取回波、強度等數據為目標識別、分類提供輔助數據,由此快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數據,車載激光測繪技術在進行實際測繪應用中,主要是通過激光掃描系統進行測繪實現的;

定位定姿系統(position orientation system,POS)：用于獲取激光雷達的空間位置與姿態,還可以提供精確的時間基準;

相機系統：獲取車輛行駛軌跡周邊的彩色數碼影像;

同步存儲控制系統：用來實現激光掃描系統、POS系統(GPS/IMU)、相機系統的數據同步采集及存儲等功能。

車載激光雷達移動測繪系統的傳感器被固定在移動平臺上,通過設備無線網絡通信技術(WiFi)連接平板電腦,通過平板電腦安裝的同步控制系統觸發脈沖,保證所有傳感器與平臺的運動和姿態同步進行采集與存儲,從而實現三維點云信息和影像信息的快速獲取。各子系統關系如圖2所示。圖中時間流與數據流是車輛在同一位置的時間與三維數據唯一對應的信息,是數據預處理中點云解算的依據,通過解算獲取車輛在任意時間對應的三維信息。

圖2 車載激光雷達移動測繪系統關系

2.4 移動平臺速度計算

系統激光雷達的標定線掃速度為250線/s(可調節),則采集兩線的時間為0.004 s,按采集需求線間距最大為10 cm,則車速為3 600/0.004×0.000 1=90 km/h。如設置線掃速度為200線/s,則車速不得大于72 km/h。

3 高精度地圖采集要求

(1) 多車道道路每條車道都覆蓋,建議高速路為2車道時車輛行駛外側車道,高速路為3車道時車輛行駛中間車道;

(2) 高速收費站優先采集中間位置ETC通道;

(3) 考慮軟件運行原因,單條軌跡長度不超過200 km;

(4)點云絕對精度：

①一級精度(平原地區)：平面精度5 cm，高程精度10 cm；

②二級精度(山區)：平面精度10 cm，高程精度20 cm；

(5)點云密度要求：

①縱向密度(車輛行駛方向)：小于等于10 cm；

②橫向密度(垂直行駛方向)：小于等于2 cm；立面密度：小于等于10 cm；

(6) 高速和城市快速路等封閉道路的分歧和合流前后的導流帶頭尾不能有空洞,直線位置空洞小于80 m,彎道匝道空洞小于20 m;

(7) 影像密度不超過25 m/張,時間觸發時保持1 s/張,單張影像分辨率大于300萬像素。

4 高精度地圖測繪

本項目測繪范圍為東五環(廣澤橋-七棵樹橋)雙向車道,單向為3車道,車流量大,對外業采集有一定影響,盡量避免與其他社會車輛并排行駛。車載激光雷達移動測繪系統工作流程主要包括準備階段、數據采集、數據預處理、數據后處理等,如圖3所示。

4.1 數據采集

數據采集外業開始前,提交免基站服務申請,使整個外業采集時間包含在免基站服務的時段內,安裝設備時,設備架拉出的長度與標定設備參數時的長度一致,可在設備架上不同位置做標記,初始化設置主要是使激光雷達和慣導進行初始化,具備工作條件。采集開始前開啟設備后靜置5 min,禁止開關車門等引起車輛震動的操作,然后車輛進行“8字”行駛3 min,在結束采集前需要靜置5 min再關閉設備。

正式采集開始前檢查車輛狀況是否正常,激光雷達和全景相機是否處于工作狀態,車輪編碼器安裝是否牢固,在進入測區200 m前開始采集點云數據。車輛采集時行駛速度不超過60 km/h,保證點云的密度,盡可能減少因車輛并排行駛造成的點云空洞。

圖3 車載移動測繪系統工作流程

4.2 數據預處理

數據處理原理：采集系統基于激光雷達獲取距離、位置、姿態等原始數據生成滿足設計精度的點云數據,由于激光雷達的采集頻率遠高于GPS和IMU傳感器,而數據處理需要得到任意時刻激光波束的姿態信息和空間位置信息。用時間來進行數據配準,結合回波距離、掃描角度信息,可準確求得點云三維坐標,并將掃描坐標系下的數據轉換到大地坐標系下。

點云解算流程：使用Inertial Explorer軟件(簡稱IE)進行點云軌跡解算,Inertial Explorer軟件用于處理高精度POS數據,解算速度快,數據精度高,是業內公認的最優秀的POS數據處理軟件之一。車載POS數據包括GPS數據和慣導IMU數據,先將基站和移動站數據轉換為GPB格式文件,之后需要添加Master基站數據、Remote移動站數據以及IMU慣導數據,進行GPS/INS組合解算緊耦合處理,得到高精度的位置和姿態數據。下一步使用CoPre軟件進行點云解算,包括點云初計算、精度檢查、點云/軌跡修正等。CoPre軟件是華測自主研發的數據預處理軟件,其主要功能包括點云解算、照片整理、點云著色、全景拼接、深度圖生成、坐標轉換。點云數據如圖4所示。

圖4 點云數據

4.3 提取車道線

依據點云數據提取道路邊線、車道線、應急車道線,依據實際道路標記線劃出虛線、實線,如圖5所示。

圖5 車道線提取

4.4 精度評定

移動測量系統的點云精度將主要由全球導航衛星系統定位誤差、激光測距誤差和POS姿態角誤差決定。本項目使用千尋云跡賬號在道路分歧路口的明顯道路標記線或導流線處設置驗測點共12個,使用華測i90慣導實時動態載波相位差分技術(real-time kinematic，RTK)對控制點進行施測,如圖6所示。通過檢查點對應的點云坐標進行對比,依計算的平面中誤差為±3.6 cm(≤±5 cm)、高程中誤差為±5.2 cm(≤±10 cm)。《車載移動測量數據規范》(CH/T 6003—2016)中規定,車載激光點云點位精度及高程精度分別是：特級0.05、0.02 m;Ⅰ級 0.1、0.05 m;Ⅱ級0.3、0.2 m;Ⅲ級0.5、0.3 m。可見本項目點云精度達到Ⅱ級精度要求。

圖6 驗測點選取

5 結束語

激光雷達測繪技術在我國的各個行業都被廣泛運用,如基礎測繪項目、精密測繪項目、礦山測繪、森林植被、城市規劃、電力管網調查、地質災害監測等。通過實際項目分析,車載激光雷達移動測繪系統具有全天候、非接觸、測繪速度快等優點,使用此系統采集高精度導航地圖是最方便、最快捷、最高效的方式,即提供了高精度點云數據又能提供全景影像,具有高密度、高精度、高效率、低人工成本的特點。但個人認為系統仍有弊端,如系統初始化的“8”字行駛,在實際操作中很難有場地提供此操作,存在交通安全隱患,且存儲數據量巨大,慣性導航系統不能長時間有效工作,點云處理軟件不通用等。相信隨著技術水平的提高,車載激光雷達移動測繪系統會解決以上問題,會應用于更廣泛的領域。