基于車載三維激光掃描的城市道路竣工測量探討

賈峻峰

摘要：車載三維激光掃描系統融合了多種傳感器和數據源，可以自動、迅速地獲取道路的全方位信息。其掃描速度迅捷、數據信息豐富、精確度高，采集過程安全簡單，并能節省人力。此技術顯著提高了外業生產效率，并降低了生產成本。文章詳細介紹了車載三維激光掃描技術在道路工程竣工測量中的內外業處理流程。研究結果表明，該技術的精度可達到1：500測圖精度要求，滿足城市高架路竣工規劃測繪的精度需求。該技術方案是切實可行的，且能高效地提高生產效率。

關鍵詞：車載三維激光測量??道路竣工測量??點云數據精度

中圖分類號：U415

Exploration?of?Urban?Road?Completion?Survey?Based?on?Vehicle-Mounted?3D?Laser?Scanning

JIA?Junfeng

（Guangzhou?Research?Institute?of?Urban?Planning，?Survey?and?Design，?Guangzhou，?Guangdong?Province，?510060?China）

Abstract：?The?vehicle-mounted?3D?laser?scanning?system?integrates?multiple?sensors?and?data?sources，?and?it?can?automatically?and?quickly?obtain?comprehensive?information?of?the?road.?It?has?fast?scanning?speed，?rich?data?information?and?high?accuracy，?and?the?collection?process?is?safe?and?simple?and?can?save?manpower.?This?technology?significantly?improves?field?production?efficiency?and?reduces?production?costs.?The?article?provides?a?detailed?introduction?of?the?internal?and?external?processing?flow?of?vehicle-mounted?3D?laser?scanning?technology?in?the?completion?measurement?of?road?engineering.?Rresearch?results?indicate?that?the?accuracy?of?this?technology?can?reach?1：500?mapping?accuracy?requirements，?and?meet?the?accuracy?requirements?of?urban?elevated?road?completion?planning?and?surveying.?This?technical?solution?is?feasible，?and?it?can?efficiently?improve?production?efficiency.

Key?Words：?Vehicle-mounted?3D?laser?measurement;?Road?completion?measurement;?Point?cloud?data;?Accuracy（請確認）

1三維激光掃描技術工作原理

三維激光掃描儀系統主要集成三維激光掃描儀、慣性儀、全景相機、測速儀、衛星定位模塊和車輛剛性平臺裝配控制模塊[1]。隨著車輛的移動，三維激光掃描儀能夠快速捕獲和分析高精度位置數據、高密度三維點云數據和高分辨率全景圖像，實現空間地理信息的自動存取和數據庫創建。

3D激光掃描系統由車輛、3D激光掃描儀和數據處理軟件構成。該系統廣泛應用于我國基礎地圖繪制、道路導航制圖、礦山測量、三維數字城市建設等項目。在系統運行過程中，定位裝置和全球導航衛星系統接收機可以檢測和分析車輛的位置。使用全景相機和激光掃描頭收集三維點云和全景圖像，將其視為具有絕對位置坐標的彩色點云。

2?道路工程測量中三維激光掃描技術作業流程

在實際應用中，車載三維激光掃描技術主要包括三項工作內容，一是測量準備，二是數據采集，三是數據處理[3]。在道路工程勘測項目中，車載三維激光掃描技術完整作業流程圖如圖1所示。

2.1?測量準備

在道路工程中應用車載三維激光掃描技術進行道路竣工測量前，要做好準備工作，其中包括兩項內容：一為合理選擇基站位置，二為科學規劃測量路線。

2.1.1?確定基站位置

總體來說，三維激光掃描的面積非常大，但與道路工程的建設區域相比卻非常有限。另外，三維激光掃描儀與被分析物體的角度對空間測定結果的分辨率產生一定的影響。此外，道路建設在室外進行，其測量屬于室外工程。植被、地形條件、水文條件等各不相同。道路周圍有激光無法通過的障礙物，因此很難覆蓋整個道路工程[4]。這就需要在道路勘探過程中合理選擇基站的位置。在確定測量基站的位置時，必須在道路施工中尋找寬闊的視野區域，以免附近有障礙物妨礙測量基站的設置。

2.1.2?確定測量路線

公路建設的特點往往是范圍大和距離長。為確保檢測結果的準確性，必須科學規劃檢測方法。測量路徑的定義對測量結果及其處理有一定的影響。在確定實地勘查路線時，要了解實地勘查區域的具體交通狀況，了解實地勘查路線的方向，找到合適的時間規劃實地勘查路線。

2.2數據外業采集

進行城市道路車載移動掃描作業前，首先搜集作業周邊區域的地形圖資料及交通情況，對作業合理規劃。本實驗任務利用廣州市衛星定位連續運行基準站網（CORS）信號，為增強信號強度，另在測區附近架設臨時基準站[5]。

在掃描車輛進入測量區域之前，首先進行數分鐘的靜態觀測，以初始化POS系統，并進行車輛繞行“8”字、加速和減速等動作，以完成IMU與GNSS的校準。在進行數據采集時，裝載測量設備的車輛應盡量以勻速行駛，避免長時間停車，避免與大型車輛并行。車輛應盡量行駛在道路中心，遠離作業區域兩旁的高大樹木和建筑物。在行駛過程中，嚴禁倒車。完成數據采集后，需要再次前往開闊地帶，停車數分鐘進行GNSS靜態測量以確保POS數據的精度。同時，根據作業過程中的GNSS信號強度，判斷是否需要再次繞行“8”字。

2.3?數據處理

2.3.1車載移動掃描數據預處理

現場掃描數據收集完成后，應及時分析POS軌跡數據。這些解決方案包括全球導航衛星系統的衛星數據和IMU慣性導航數據。慣性搜索引擎IE（Inertial?Explorer）軟件可用于確定車輛激光掃描系統的位置信息的位置和軌跡。軌跡計算完成后，由自動數據處理軟件完全自動處理，生成點云圖像和數據，并著色點云數據。如點云坐標系統與所需線劃圖成果坐標系統不一致，可通過infinity軟件通過點位校正的方式進行影像及點云數據的坐標轉換[6]。

2.3.2?DLG線劃圖的生產及編輯

Southern?Digital?Inc.開發的IDATA提供了用于對點群進行分類、提取特征點和線的3D地圖軟件。根據國家規定，提取的點、線和表面指定特定的代碼、樣式、圖層以及位置和屬性信息。通過提取特征點、線和表面，軟件可以輕松捕捉和注記高程值。從特征收集位置信息時，可以通過結合圖像數據輸入特征屬性信息進行編輯。創建線性DLG圖并執行檢查后，可以將創建的DLG圖導出為CAD格式，并將其在CASS中展示。

3工程案例

廣州市某道路改造提升工程總體呈東西走向，路線全長8.14km（其中樁號K2+150～K2+380以及樁號K3+140～K4+620為現狀橋梁段），道路寬60m，雙向六車道，為城市主干道。

通過結合道路竣工測量工程實踐，實現了車載三維激光掃描技術在道路工程竣工測量中的應用，提出采用標靶點進行點云數據糾正，提高成果精度，利用傳統測量方法驗證車載三維激光掃描測量的成果精度，技術流程圖如圖2所示。

本項目的車載激光三維掃描系統以汽車為移動載體，集成安裝了高精度定姿定位系統、3000萬像素六鏡頭Ladybug5全景相機、RieglVUX-1UAV激光掃描頭、GNSS接收機及同步控制單元。

3.1?點云糾正處理

按一般流程進行點云預處理，平面、高程精度可達5～10cm，局部區域存在10cm以上偏差，成果精度略有不足。采用標靶點對掃描點云進行糾正處理，以改進車載激光掃描系統的成果精度。

通過強度顯示判別標靶點圓心位置。導入標靶點實測坐標，選取點云中校正標靶點的同名點，對軌跡數據進行平差改正，將軌跡數據糾正，完成后重新進行點云融合處理生成糾正后的點云數據。部分數據如圖3所示。

3.2?數據檢查

需要檢查的數據如下。

（1）點云密度及完整度檢查。對掃描點云的密度進行檢查，點云呈線性，線間距為1～3cm。點云無缺漏，能完整包含兩幅道路信息。

（2）點云重疊度檢查。在無中央隔離帶的左右幅通視路段，掃描時有重疊，兩次掃描的精度差在2cm左右；點云數據能較好地套合在同一水平線，高程離散度較小。

3.3?數據生產

利用校正后的點云進行點云分類（如圖4所示），道路特征線提取及縱橫斷面提取。

4?成果精度分析

為了驗證車載移動測量技術所生產的城市高架路竣工規劃測繪成果的精度，采用了徠卡TS06ultra-2全站儀進行外業數據采集，并對點云和DLG線劃圖對應同名特征點進行精度檢核。

在該任務的外業數據檢測中，共采集了各類平面有效檢測點26個和各類高程有效檢測點50個。其中，檢測點X坐標的最大較差值為7.2cm，最小值為0.1cm；Y坐標的最大較差值為5.9cm，最小值為0.0cm。平面位置坐標的最大較差值為8.29cm，最小值為0.1cm；高程的最大較差值為3.3cm，最小值為0.1cm。經過計算，本實驗任務中X坐標檢測的中誤差為2.18cm，Y坐標檢測的中誤差為1.79cm，平面位置檢測的中誤差為2.82cm，高程檢測的中誤差為1.09cm。這些結果均優于《城市測量規范》（CJJ/T8-2011）中關于平面位置5cm（X、Y坐標分量3.54cm）和高程4cm允許中誤差的要求。

通過以上數據，可以得出結論：車載移動測量技術在城市高架路竣工規劃測繪中具有較高的精度，該技術方案是可行且高效的。同時，我們也可以看出，該技術的應用能夠大大提高外業生產效率，有效降低生產成本，為城市規劃和管理提供了有力的支持和保障。

5結語

本文采用車載三維激光掃描技術進行道路竣工測量，精度可達到1：500測圖精度要求，滿足城市高架路竣工規劃測繪的精度要求，技術方案是可行且高效的。

參考文獻

[1] 施鵬程.?基于車載激光雷達三維掃描技術的路旁資產管理研究[D].北京：清華大學，2021.

[2] 曹兆峰，趙海峰，王勝利等.車載三維激光掃描技術在大比例尺地形圖測繪中的應用[J].現代測繪，2022，45（4）：62-64.

[3] 王策.?基于車載激光雷達的三維重建研究[D].吉林：東北電力大學，2021.

[4] 鄭艷，張殿，杜向鋒，等.三維激光掃描技術在地鐵隧道斷面測量中的應用研究[J].科學技術創新，2023（15）：158-162.

[5] 何小飛.車載三維激光掃描技術在鐵路限界測量中的應用[J].測繪與空間地理信息，2022，45（8）：60-63.

[6] 何金學.車載三維激光掃描在既有鐵路提速改造復測中的應用[J].測繪技術裝備，2020，22（1）：47-50.