基于車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)道路施工測(cè)量的初步應(yīng)用

戴 勇

藍(lán)海建設(shè)集團(tuán)有限公司 安徽 合肥 230000

引言：測(cè)量是道路施工過(guò)程中一項(xiàng)很重要的內(nèi)容，近年來(lái)隨著公路建設(shè)的不斷加快，路網(wǎng)也隨之越來(lái)越密集，傳統(tǒng)的測(cè)量方式主要采用人工測(cè)量，作業(yè)速度慢，受路面車輛影響較大，不適合數(shù)據(jù)的快速更新，同時(shí)野外采集的點(diǎn)位稀少，很難反映道路施工時(shí)細(xì)致的變化特點(diǎn)。

基于三維激光掃描儀，GNSS等多傳感器系統(tǒng)（Mobile Mapping Systems，MMS）是測(cè)繪遙感領(lǐng)域一種全新的測(cè)量方法。該系統(tǒng)以傳感器及計(jì)算機(jī)技術(shù)、模式識(shí)別和平差理論為基礎(chǔ)，能高效獲取載體運(yùn)動(dòng)軌跡、全景影像和三維點(diǎn)云等多種空間參數(shù)，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)處理，可滿足道路施工中的各項(xiàng)測(cè)量需求。本文以武漢大學(xué)和武漢漢寧軌道交通技術(shù)有限公司研制的車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)為例，將其應(yīng)用于道路施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)證。將該系統(tǒng)測(cè)量輸出的三維點(diǎn)云坐標(biāo)與控制點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)比做精度驗(yàn)證。分析了影響精度結(jié)果的因素，為后續(xù)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在道路施工測(cè)量及相關(guān)方面的應(yīng)用提供了參考。

1 車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以車為平臺(tái)，集成GNSS、慣性導(dǎo)航單元（IMU）、DMI組合定位系統(tǒng)、三維激光掃描儀、全景相機(jī)、多傳感器同步控制單元、嵌入式計(jì)算機(jī)以及電源供電系統(tǒng)等設(shè)備，組建道路測(cè)量平臺(tái)，在同步控制單元的協(xié)調(diào)下使各個(gè)傳感器之間實(shí)現(xiàn)時(shí)空同步，快速采集道路的全斷面數(shù)據(jù)。

(1)電源單元：對(duì)系統(tǒng)供電以保證系統(tǒng)的正常工作。

(2)同步控制：通過(guò)協(xié)調(diào)各傳感器運(yùn)行，記錄所有參數(shù)，包括導(dǎo)航參數(shù)、激光掃描的時(shí)間差與數(shù)據(jù)記錄，并將數(shù)據(jù)上傳，整個(gè)單元與激光慣導(dǎo)集成在系統(tǒng)下部；

(3)數(shù)據(jù)采集：利用各種傳感器，獲取物體的各種相關(guān)信息，主要包括確定激光掃描信號(hào)發(fā)射點(diǎn)位置的動(dòng)態(tài)GPS定位裝置；測(cè)定激光掃描儀主軸參數(shù)的慣性導(dǎo)航裝置(IMU)；測(cè)量距離的激光掃描儀；測(cè)定車輪轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖數(shù)以計(jì)算載車平臺(tái)行駛距離的里程編碼器；

(4)軟件處理：用于差分GPS數(shù)據(jù)后處理、組合姿態(tài)確定、各裝置間的時(shí)間同步、激光掃描的坐標(biāo)數(shù)據(jù)的計(jì)算、分類、數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換、軌道參數(shù)的儲(chǔ)存軟件等。

圖1 移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)組成部分

1.2 工作原理與數(shù)據(jù)采集

移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)工作時(shí)首先將激光掃描器固定在車輛后方，由掃描儀發(fā)射一對(duì)傾斜45°的激光，并同步控制其掃描方向，當(dāng)激光傳感器接受返回光束后同步記錄各項(xiàng)參數(shù)，通過(guò)時(shí)間差計(jì)算被測(cè)物體間距，且同步獲取GPS參數(shù)和INS慣性向量。這樣每一次掃描均可獲得從激光掃描儀到被測(cè)物體之間的位置參數(shù)，結(jié)合系統(tǒng)獲得的掃描角度、GPS參數(shù)和激光即時(shí)掃描方向，可準(zhǔn)確算出每個(gè)掃描光點(diǎn)三維空間坐標(biāo)參數(shù)。若采用兩個(gè)掃描儀可加大掃描密度，增加點(diǎn)云個(gè)數(shù)，提高位置精度。

1.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

1.3.1 組合導(dǎo)航與POS解算

外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，對(duì)GNSS數(shù)據(jù)、IMU 數(shù)據(jù)、里程計(jì)（DMI）數(shù)據(jù)進(jìn)行組合解算，如圖2所示，由GPS與INS松組合的計(jì)算可得出行車過(guò)程中系統(tǒng)行進(jìn)的實(shí)時(shí)軌跡數(shù)據(jù)。INS各項(xiàng)參數(shù)是依靠陀螺儀測(cè)量而得。設(shè)定INS初始狀態(tài)，通過(guò)疊遞，INS能瞬間準(zhǔn)確地得出當(dāng)前位置、速度和姿態(tài)等各項(xiàng)參數(shù)。因其存在測(cè)量雜波，每經(jīng)一次計(jì)算各項(xiàng)誤差也會(huì)隨之增大；另外，由于陀螺儀漂移和加速度計(jì)零偏，會(huì)導(dǎo)致INS算出的各項(xiàng)參數(shù)會(huì)逐漸偏離實(shí)際軌跡。因此，需要不斷對(duì)INS的誤差進(jìn)行糾偏，并重新對(duì)陀螺儀漂移和加速度計(jì)零偏進(jìn)行確定。GNSS每個(gè)單元都是獨(dú)立觀測(cè)、計(jì)算位置和速度參數(shù)。優(yōu)點(diǎn)是誤差不累積，長(zhǎng)期精度較好；不足在于更新速度慢，不能滿足快速移動(dòng)測(cè)量要求，且得出的行進(jìn)軌跡不平滑，短時(shí)精度差。因此，基于GNSS/INS組合集成了彼此的優(yōu)點(diǎn)，解算得到POS軌跡數(shù)據(jù)。

圖2 GNSS/INS松組合模型

1.3.2 點(diǎn)云融合與影像匹配

將解算POS軌跡數(shù)據(jù)與激光原始數(shù)據(jù)按照時(shí)間進(jìn)行融合，對(duì)海量點(diǎn)云多視角的加載瀏覽，支持多種點(diǎn)云渲染方式，融合出的數(shù)據(jù)可以依據(jù)反射強(qiáng)度以及高程等渲染等方式進(jìn)行渲染顯示，如圖3、圖4。再將融合的點(diǎn)云與圖像進(jìn)行匹配。

圖3 點(diǎn)云強(qiáng)度渲染顯示

圖4 點(diǎn)云高程渲染顯示

1.3.3 點(diǎn)云質(zhì)量提高

通過(guò)利用沿線布設(shè)的高精度標(biāo)靶，研究出了基于高精度控制點(diǎn)的點(diǎn)云精度質(zhì)量增強(qiáng)技術(shù)，通過(guò)將高精度靶標(biāo)坐標(biāo)傳遞到POS系統(tǒng)來(lái)優(yōu)化POS數(shù)據(jù)精度，利用傳統(tǒng)測(cè)量得到的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)與在點(diǎn)云中提取的控制點(diǎn)相比較得到誤差，最后依據(jù)里程信息反向分配誤差從而達(dá)到POS數(shù)據(jù)精度優(yōu)化，最終達(dá)到點(diǎn)云精度質(zhì)量增強(qiáng)的目的。整個(gè)數(shù)據(jù)處理流程如下圖5所示。

圖5 點(diǎn)云后處理流程

2 項(xiàng)目應(yīng)用與成果分析

2.1 項(xiàng)目案例

項(xiàng)目測(cè)區(qū)選在陽(yáng)江市G325項(xiàng)目一合同段，周圍空曠，車流量少，道路總長(zhǎng)約5km，移動(dòng)測(cè)量車以10m/s速度均勻采集測(cè)區(qū)范圍數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)是對(duì)外界環(huán)境最真實(shí)的反映，從點(diǎn)云中可以看出路面、樹木、電塔、路燈等信息被清晰地記錄下來(lái)，如圖3、4所示。

2.2 成果分析

將通過(guò)點(diǎn)云提取出的驗(yàn)證點(diǎn)坐標(biāo)與全站儀測(cè)量得到的控制點(diǎn)坐標(biāo)作對(duì)比得到殘差值。誤差平均值與標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式如下①②③所示，其中，Pi為驗(yàn)證點(diǎn)坐標(biāo)值，Ci為控制點(diǎn)坐標(biāo)值。D均為誤差平均值，D標(biāo)為誤差標(biāo)準(zhǔn)差值。精度驗(yàn)證報(bào)告如圖所示。

但隨著選取控制點(diǎn)間距增大，高精度約束越來(lái)越低，驗(yàn)證點(diǎn)精度也隨之下降，其結(jié)果表一所示。由表可知，在選取控制點(diǎn)60m～480m之間，其定位精度中平面誤差影響較小，高程誤差影響較大。這是因?yàn)榻M合導(dǎo)航定位精度平面精度比高程精度好，所以控制點(diǎn)的引入對(duì)高程比對(duì)平面影響大。平面和高程最大誤差與選取控制點(diǎn)的距離無(wú)關(guān)，與點(diǎn)云選點(diǎn)時(shí)引入的偶然誤差有關(guān)系，具有隨機(jī)性。而平均誤差反映的是誤差的平均值，其隨著控制點(diǎn)間距的增大而增大。平面中誤差隨著控制點(diǎn)的間距改變沒(méi)有發(fā)生變化，驗(yàn)證了組合導(dǎo)航在此段的平面精度比較好。高程中誤差隨著控制點(diǎn)間距的增大而增大，所以在實(shí)際工作中可根據(jù)目標(biāo)精度的不同而選擇控制點(diǎn)布設(shè)的密度，合理控制成本以達(dá)到預(yù)期目的。

圖6 精度驗(yàn)證報(bào)告

表1 控制點(diǎn)間距對(duì)誤差影響分析

3 結(jié)束語(yǔ)：

移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)作為一種新型測(cè)繪手段，相比較傳統(tǒng)測(cè)繪手段有著其高效、快速、全面等優(yōu)勢(shì)。本文針對(duì)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用于道路施工測(cè)量，提出內(nèi)外業(yè)解決方案，并最終分析點(diǎn)位精度與布設(shè)控制點(diǎn)之間的關(guān)系。但是對(duì)于其中的一些問(wèn)題仍有深入研究的地方：

(1)在POS精度優(yōu)化過(guò)程中，對(duì)于點(diǎn)云中靶標(biāo)點(diǎn)的選取為人工手動(dòng)選點(diǎn)，這會(huì)引入選點(diǎn)誤差，可根據(jù)靶標(biāo)形狀擬合靶標(biāo)中心點(diǎn)坐標(biāo)，減少誤差；

(2)在無(wú)GNSS信號(hào)或弱GNSS信號(hào)時(shí)，POS解算的點(diǎn)位精度無(wú)法保證高精度。需要在組合導(dǎo)航算法進(jìn)行優(yōu)化，可利用編碼器數(shù)據(jù)與INS數(shù)據(jù)組合，提高點(diǎn)云精度；

(3) 移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)只能獲取沿行車軌跡一定范圍內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，掃描過(guò)程中若地物被遮擋又無(wú)有效辦法及時(shí)補(bǔ)充掃描，則需要通過(guò)其他手段進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。