車載激光掃描技術(shù)在地形數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用

張文峰 王智明

摘 要：傳統(tǒng)人工野外測(cè)繪要素采集的方式，難以滿足地理信息數(shù)據(jù)庫快速更新的需求。本文擬以車載移動(dòng)激光掃描技術(shù)為依托，探究其數(shù)據(jù)采集工作原理，并探究其在道路沿線帶狀地形測(cè)繪中的應(yīng)用，以期為類似工程提供參考依據(jù)，提升野外數(shù)據(jù)采集的數(shù)字化程度。

關(guān)鍵詞：車載激光掃描；密集點(diǎn)云；點(diǎn)云拼接與分割；數(shù)據(jù)采集

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.209

伴隨現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，以無人機(jī)低空航攝、車載移動(dòng)激光掃描儀等數(shù)據(jù)采集方式，以其精度高、速度快、易判讀的優(yōu)點(diǎn)，逐步替代傳統(tǒng)人工全野外測(cè)量手段，并被廣泛應(yīng)用于城市要素更新、地籍測(cè)繪、公路部件普查等諸多領(lǐng)域。全站儀、GNSS等傳統(tǒng)野外測(cè)量設(shè)備，受人工因素影響，數(shù)據(jù)采集效率相對(duì)偏低，人力成本占比較高；而車載移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)，將GNSS定位、IMU慣導(dǎo)、Lidar掃描和CCD傳感器有機(jī)融合，極大提升了基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)程度和作業(yè)效率。

1 車載移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)概述

從概念分析，車載移動(dòng)三維激光掃描儀，即以車輛作為載體平臺(tái)，將激光掃描設(shè)備、GNSS定位設(shè)備、慣性測(cè)量設(shè)備與相關(guān)影像傳感器進(jìn)行封裝集成，使得車輛載體移動(dòng)過程中，利用多源傳感器獲取周邊基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。除去定位與慣導(dǎo)模塊外，其數(shù)據(jù)采集模塊主要包含CCD傳感器與三維Lidar掃描設(shè)備，其中前者主要為獲取建筑物或車輛周邊地物紋理圖片，以備后期點(diǎn)云紋理信息處理提供基礎(chǔ)；后者三維Lidar則利用發(fā)射與接收激光信號(hào)，來精確測(cè)定周邊構(gòu)筑物位置信息，其點(diǎn)云坐標(biāo)采集原理為測(cè)定水平與垂直角，以及脈沖激光發(fā)射與回收的時(shí)間差值所求取的間距，進(jìn)而計(jì)算待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。以獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)掃描為例，假定掃描設(shè)備為原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)，X、Y為平面，Z為垂直方向，求得待測(cè)目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)，如圖1所示：

2 車載激光掃描地理信息數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)有某城市核心區(qū)、重要功能區(qū)進(jìn)行1：500數(shù)字地形圖測(cè)繪，測(cè)區(qū)交通便捷，道路縱橫，主要道路有穿山疏港高速、繞城高速、泰山路、黃山路、富春江路、駱霞公路等；除建筑密集區(qū)采用全站儀、GNSS定位數(shù)據(jù)采集外，為適應(yīng)新技術(shù)的引入使用，部分城市主干道、高速公路沿線，采取車載移動(dòng)三維激發(fā)掃描的方式進(jìn)行地理信息數(shù)據(jù)采集。

已有資料方面，四等GPS加密控制網(wǎng)成果，經(jīng)平差處理單位權(quán)中誤差為±0.76cm，最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為±2.36cm，最弱邊相對(duì)中誤差為1/117000，其中有G4055、G4058、G4060、G4064、G4067、G4068等點(diǎn)位于測(cè)區(qū)內(nèi)或周邊，標(biāo)志保存完好，作為城市一級(jí)及以下等級(jí)平面控制測(cè)量的起算數(shù)據(jù)；測(cè)區(qū)內(nèi)及周邊有12個(gè)二等水準(zhǔn)點(diǎn)，作為本測(cè)區(qū)四等水準(zhǔn)測(cè)量的起算數(shù)據(jù)；同時(shí)測(cè)區(qū)內(nèi)原布設(shè)的328個(gè)一級(jí)控制點(diǎn)，作為本次量測(cè)的平面與高程測(cè)量基礎(chǔ)。

具體外業(yè)地理信息數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)如下：

（1）CORS差分定位快速聯(lián)合解算。在車載測(cè)量過程中，車載GNSS定位模塊接入CORS系統(tǒng)，在測(cè)量完成后進(jìn)行聯(lián)合解算，并參考車載IMU數(shù)據(jù)，提升車載定位測(cè)量的精準(zhǔn)性。

（2）激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。首先檢車系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行、GNSS星歷等情況，并預(yù)先設(shè)計(jì)好測(cè)量線路；其次數(shù)據(jù)采集時(shí)，VZ-400固定在車輛一側(cè)保持在一個(gè)角度上進(jìn)行線狀條帶掃描，LMS-Q120i固定在車輛后側(cè)對(duì)車輛下方進(jìn)行線狀條帶掃描，在前往測(cè)區(qū)過程中，選擇GNSS衛(wèi)星觀測(cè)條件較好的直線道路行駛，并適當(dāng)提前采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)；最終密集點(diǎn)云精度，受車載定位質(zhì)量影像較大，在條件較差區(qū)域可利用周邊觀測(cè)條件較好的地方，引入POS觀測(cè)修正方式來補(bǔ)償數(shù)據(jù)精度。

（3）360度全景影像獲取。全景相機(jī)進(jìn)入測(cè)區(qū)拍攝前，需進(jìn)行影像預(yù)覽，調(diào)整影像色調(diào)和亮度，進(jìn)行白平衡，同時(shí)綜合考慮天氣狀況、道路交通擁擠狀況、周邊環(huán)境等因素，盡量選擇在天氣晴朗時(shí)車，影像所得到的成果數(shù)據(jù)格式以*.pgr形式存儲(chǔ)輸出。

（4）點(diǎn)云定位定向與全景影像融合。利用車載POS數(shù)據(jù)與CORS數(shù)據(jù)聯(lián)合解算，將聯(lián)合定位信息加入RiScan Pro軟件系統(tǒng)進(jìn)行處理，獲得激光掃描儀車載模式的行跡文件，確定激光點(diǎn)坐標(biāo)值，對(duì)整個(gè)點(diǎn)云文件定向處理；為了便于點(diǎn)云繪圖處理，應(yīng)精確配準(zhǔn)點(diǎn)云與全景影像，作為點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的參考。

3 點(diǎn)云拼接分割與矢量化處理

將外業(yè)采集的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，應(yīng)固定在統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)框架下進(jìn)行拼接與分割處理，然后開展地物特征提取、高程點(diǎn)獲取、點(diǎn)云矢量化與調(diào)繪查圖等工作，制作工程實(shí)踐所需的帶狀地形線劃圖。其內(nèi)業(yè)環(huán)節(jié)可分為：

（1）坐標(biāo)框架統(tǒng)一與點(diǎn)云拼接分割處理。車載激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)、全景成像數(shù)據(jù)平面坐標(biāo)，均應(yīng)在CGCS2000坐標(biāo)系下進(jìn)行拼接，合為測(cè)區(qū)整體點(diǎn)云成果；由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)量很大，對(duì)計(jì)算機(jī)的軟硬件要求很高，直接全部處理效率很低，因此可根據(jù)測(cè)區(qū)特點(diǎn)，按道路、水系、境界等特征地物劃分為幾個(gè)片區(qū)分別處理，分割時(shí)不得破壞地物的整體性。

（2）地物特征點(diǎn)與高程點(diǎn)獲取。各點(diǎn)云處理軟件中，點(diǎn)云是以某個(gè)角度的正射投影的透視方式顯示，視角不同，投影面也各不相同，為避免因視角不同而產(chǎn)生的點(diǎn)云捕捉錯(cuò)誤，各類地物特征點(diǎn)獲取前需先對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行分割處理；利用點(diǎn)云處理軟件直接拾取高程點(diǎn)，并將該部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)從整體點(diǎn)云中分離出來，經(jīng)大地水準(zhǔn)面精化模型轉(zhuǎn)換后采用。

（3）點(diǎn)云矢量化與外業(yè)調(diào)繪。針對(duì)線狀地物，例如柵欄等與周邊地物相比有獨(dú)立高程特征的線狀地物，按其高程區(qū)間將其分離繪制，原始點(diǎn)云示例如圖2所示：

針對(duì)道路邊線等與周邊地物有一定高程差異特征的線狀地物，根據(jù)高程特征直接繪制；其它與周邊地物無高程差異特征的線狀地物，采用外業(yè)調(diào)繪和補(bǔ)測(cè)的方法繪制；復(fù)雜區(qū)域地物繪制時(shí)，將復(fù)雜區(qū)域單獨(dú)分離出來再根據(jù)投影，切面等方式繪制；按照數(shù)字測(cè)圖相關(guān)規(guī)范要求，對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)地形圖現(xiàn)狀進(jìn)行了外業(yè)實(shí)地巡查調(diào)繪，并針對(duì)部分激光掃描儀測(cè)量漏洞采用GNSS定位設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。

4 結(jié)語

作為地物幾何特征的數(shù)字化表現(xiàn)，點(diǎn)云分布特性受實(shí)際地物直接決定，利用車載激光掃描系統(tǒng)所獲取的三維密集點(diǎn)云，采用有效算法基于掃描線、路面點(diǎn)云或密度分析等手段，剔除路面行人與車輛等干擾因素影響，可有效提取地物空間幾何分布特征數(shù)據(jù)。

綜上所述，相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)繪方式而言，激光掃描測(cè)量具有數(shù)據(jù)采集精度高、成果可靠性強(qiáng)、人力要求強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)。本文以車載移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)為依托，闡述了其系統(tǒng)模塊構(gòu)成與激光掃描工作原理，并結(jié)合道路沿線帶狀地形測(cè)繪的工程實(shí)踐案例，分析了其外業(yè)激光掃描數(shù)據(jù)采集，內(nèi)業(yè)點(diǎn)云拼接分割、地圖特征點(diǎn)提前、點(diǎn)云矢量化制圖等基本作業(yè)流程，有利于提升車載激光掃描數(shù)據(jù)采集的規(guī)范化程度，促進(jìn)其在工程測(cè)量與制圖中的實(shí)踐應(yīng)用。

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作者簡介：張文峰（1981-），男，湖北天門人，本科，高級(jí)工程師，主要從事大地測(cè)量、工程測(cè)量、城市基礎(chǔ)測(cè)繪的研究與管理工作。