車(chē)載激光掃描系統(tǒng)在道路竣工測(cè)量中的應(yīng)用

王玉蘭，張瑩，吳永興

(深圳市勘察研究院有限公司，廣東 深圳 518026)

1 前 言

市政建設(shè)工程竣工測(cè)量是規(guī)劃部門(mén)對(duì)市政建設(shè)工程施工的符合性進(jìn)行測(cè)繪復(fù)核、對(duì)市政建設(shè)工程進(jìn)行行政管理的重要內(nèi)容，竣工測(cè)量主要包括 1∶500地形圖測(cè)量、道路縱橫斷面測(cè)量、地下管線探測(cè)、規(guī)劃復(fù)核等工作內(nèi)容。由于部分市政工程建成后即投入試運(yùn)行，在規(guī)劃驗(yàn)收測(cè)量時(shí)路面車(chē)流量大、交通情況復(fù)雜，常規(guī)的測(cè)量方法需要人員在路面進(jìn)行作業(yè)，存在很大的安全隱患。

三維激光掃描又被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，它不需要接觸被測(cè)物體，直接通過(guò)發(fā)射激光來(lái)掃描被測(cè)物體，并快速獲取被測(cè)物體表面的三維坐標(biāo)，具有快速、實(shí)時(shí)、高密度、高精度、數(shù)字化、自動(dòng)化等特點(diǎn)。

2017年底，深圳市勘察研究院有限公司承接南坪快速路(二期)竣工測(cè)量項(xiàng)目，該工程主線起于南頭立交，終點(diǎn)接南坪一期塘朗立交，主線全長(zhǎng)約 6.5 km(如圖1所示)。由于線路長(zhǎng)、車(chē)流量大、車(chē)速快，使得常規(guī)測(cè)量手段受到很大的影響。而車(chē)載激光掃描系統(tǒng)以其靈活、機(jī)動(dòng)、快速等優(yōu)勢(shì)成為首選的新技術(shù)。本項(xiàng)目選用中海達(dá)車(chē)載激光測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集及圖形處理工作，并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證，其結(jié)果滿足大比例尺地形圖的測(cè)量要求。項(xiàng)目作業(yè)流程如圖2所示。

圖1 測(cè)區(qū)位置示意圖

圖2 項(xiàng)目作業(yè)流程

2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集使用中海達(dá)高精度車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)(如圖3所示)，該系統(tǒng)采用基于激光掃描、POS系統(tǒng)、CCD相機(jī)等多種傳感器與技術(shù)集成的測(cè)量和信息采集移動(dòng)平臺(tái)，將GPS、GIS、RS以及LS(Laser Scanning)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛移動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)、快速獲取地物的三維空間位置和屬性信息，利用多源數(shù)據(jù)融合與處理技術(shù)編制線劃地形圖，從而達(dá)到高效、節(jié)能的效果。

外業(yè)數(shù)據(jù)采集前，收集測(cè)區(qū)已有等級(jí)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，作為測(cè)區(qū)控制測(cè)量的起算點(diǎn)；收集測(cè)區(qū)已有的 1∶1 000地形圖，作為外業(yè)踏勘工作底圖。利用外業(yè)工作底圖進(jìn)行實(shí)地踏勘，確認(rèn)采集范圍內(nèi)的道路交通狀況、采集線路之間的關(guān)聯(lián)性，并在底圖上做好標(biāo)記，以便合理規(guī)劃基站位置、POS對(duì)齊位置、控制點(diǎn)(靶標(biāo))位置、行駛線路等，盡量規(guī)劃沿GNSS信號(hào)良好的區(qū)域行駛。

(1)控制點(diǎn)(靶標(biāo))布設(shè)與測(cè)量

本項(xiàng)目采集環(huán)境為高速公路，考慮到安全因素，不便在主車(chē)道中間的虛線角點(diǎn)處進(jìn)行測(cè)量，而應(yīng)急車(chē)道無(wú)標(biāo)線角點(diǎn)，所以需要布設(shè)靶標(biāo)。靶標(biāo)設(shè)置在應(yīng)急車(chē)道靠外側(cè)較明顯的位置，沿道路每隔 300 m布設(shè)一控制點(diǎn)(靶標(biāo))，共布設(shè)49個(gè)。靶標(biāo)點(diǎn)為中心黑十字、外白圓形、最外圍黑矩形框，圓形部分噴涂白色涂料，方便點(diǎn)云的識(shí)別(如圖4所示)。

圖4 控制點(diǎn)(靶標(biāo))圖樣

控制點(diǎn)(靶標(biāo))采用網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量方法進(jìn)行二級(jí)控制點(diǎn)測(cè)量，高程采用四等水準(zhǔn)測(cè)量方法，測(cè)量成果用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度糾正。

(2)地面基站的架設(shè)

本項(xiàng)目地面基站采用靜態(tài)基站模式，選取測(cè)區(qū)內(nèi)原有的1個(gè)GPS點(diǎn)作為地面基站點(diǎn)，測(cè)區(qū)內(nèi)任意位置與地面基站間的距離均小于 15 km，滿足規(guī)范的要求?；静杉瘯r(shí)間均包含有效行駛時(shí)間，有效作業(yè)時(shí)間固定解比例超過(guò)了95%；載波L1的多路徑影響MP1和載波L2的多路徑影響MP2均小于 0.5 m；基站采集頻率為 1 Hz，滿足規(guī)范要求；基站數(shù)據(jù)均能夠進(jìn)行GPS解算，無(wú)失鎖現(xiàn)象。地面靜態(tài)基站設(shè)備采用海星達(dá)雙頻GPS接收機(jī)，采樣間隔為 1 s，基站點(diǎn)架設(shè)位置如圖5所示。

圖5 基站位置架設(shè)示意圖

(3)數(shù)據(jù)采集

采用一體化移動(dòng)三維測(cè)量系統(tǒng)操控軟件進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作，該軟件是一體化移動(dòng)測(cè)量硬件設(shè)備的配套軟件。為了保證數(shù)據(jù)采集效果，數(shù)據(jù)采集分為兩個(gè)階段進(jìn)行，白天采集全景影像數(shù)據(jù)，晚上車(chē)少時(shí)采集激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采集車(chē)輛在最外側(cè)車(chē)道上以 30 km/h的速度勻速行駛。

(4)數(shù)據(jù)檢查

每天獲取激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，必須當(dāng)天對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步解算，查看GPS信號(hào)強(qiáng)弱，對(duì)GPS信號(hào)不好時(shí)段獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新掃描，以保證初始數(shù)據(jù)的完整與準(zhǔn)確。

鄉(xiāng)村旅游公路不同于一般的旅游公路,不僅要具備交通功能,更要從鄉(xiāng)村旅游車(chē)輛和游人使用時(shí)的需求為出發(fā)點(diǎn),本著客觀性、整體性、全面性、實(shí)證性、可操作性原則,明確評(píng)價(jià)體系中各評(píng)價(jià)因子及其含義限定(表3)。

3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

(1)POS位置解算

POS位置解算主要是用基站數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)(移動(dòng)站GPS數(shù)據(jù)+IMU數(shù)據(jù)+里程計(jì)數(shù)據(jù))組合解算，并輸出融合軟件必需的高精度定位定姿數(shù)據(jù)(如圖6所示)。在進(jìn)行POS解算操作時(shí)，主要包括基站數(shù)據(jù)預(yù)處理和POSPac解算兩部分?；緮?shù)據(jù)預(yù)處理是將基站原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)格式，然后將處理之后的基站數(shù)據(jù)進(jìn)行組合解算，得到高精度定位定姿數(shù)據(jù)。

圖6 POS解算

(2)點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合解算

融合解算是將iScan-SU1車(chē)載激光掃描系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)與融合，還原出被測(cè)目標(biāo)的三維幾何空間坐標(biāo)和屬性，生成點(diǎn)云文件，以供其他系列軟件進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。瀏覽點(diǎn)云數(shù)據(jù)，檢查點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在的漏洞或者點(diǎn)云密度不夠區(qū)域，于第二天進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。

由于車(chē)載激光掃描系統(tǒng)采集得到的激光點(diǎn)云坐標(biāo)為WGS84橢球下的經(jīng)緯度和橢球高，對(duì)應(yīng)的投影坐標(biāo)也是高斯三度帶投影坐標(biāo)，本項(xiàng)目采用的是深圳獨(dú)立坐標(biāo)系、1956年黃海高程基準(zhǔn)，利用融合解算軟件將三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到深圳獨(dú)立坐標(biāo)系。

(3)點(diǎn)云數(shù)據(jù)優(yōu)化

高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)包括了行車(chē)掃描過(guò)程中激光器所能接收到的一切回波信息，需要濾除噪聲信息，利用內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)去噪。提取數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)靶標(biāo)的點(diǎn)云三維信息，通過(guò)靶標(biāo)控制點(diǎn)成果對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度平差，進(jìn)行平面和高程改正，以滿足道路竣工測(cè)量的精度要求。

(4)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類

對(duì)于糾偏校正后的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由于其存在大量的無(wú)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)(道路兩旁點(diǎn)云數(shù)據(jù)、植被點(diǎn)云數(shù)據(jù)、頂部架橋點(diǎn)云數(shù)據(jù)等)，本項(xiàng)目采用高程分類、區(qū)域高差分類方法，輔以車(chē)載相機(jī)所記錄的行車(chē)影像進(jìn)行人工干預(yù)，通過(guò)人機(jī)交互技術(shù)手段，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的分類。此作業(yè)目的在于減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)量，排除干擾點(diǎn)云數(shù)據(jù)，便于后期路面特征點(diǎn)提取工作(如圖7、圖8、圖9所示)。

圖7 點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類

圖8 分類前的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖9 分類后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

(5)點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取

基于分類后的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在海達(dá)三維點(diǎn)云瀏覽軟件中，結(jié)合CAD測(cè)圖軟件和全景影像數(shù)據(jù)，提取護(hù)欄、路肩、行車(chē)道、隔離帶、道路中線等關(guān)鍵點(diǎn)的三維信息，編制 1∶500線劃地形圖，如圖10所示。

圖10 線劃圖處理

(6)編制道路縱橫斷面圖

基于1∶500線劃地形圖，提取道路邊線、中線、隔離帶等路面特征點(diǎn)，根據(jù)道路中樁位置，利用緯地軟件，按照 200 m間隔精確提取道路橫斷面，自動(dòng)生成道路縱橫斷面圖，如圖11所示。

圖11 路面特征點(diǎn)示意圖

4 精度驗(yàn)證

本項(xiàng)目共布設(shè)控制點(diǎn)(靶標(biāo))共計(jì)49個(gè)，其中奇數(shù)控制點(diǎn)用于點(diǎn)云校正，偶數(shù)點(diǎn)用于精度復(fù)核，共計(jì)比對(duì)點(diǎn)49個(gè)。原始WGS84下，計(jì)算成果點(diǎn)位中誤差及高程中誤差分別為 ±23 mm和 ±28 mm；使用控制點(diǎn)糾偏并投影到深圳當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系下，計(jì)算成果點(diǎn)位中誤差及高程中誤差分別為 ±21 mm和 ±25 mm；采用全站儀進(jìn)行外業(yè)測(cè)量，并選取571個(gè)地物點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，其平面中誤差為 ±27 mm，高程中誤差 ±29 mm。符合《城市測(cè)量規(guī)范》第9.3.17條“地物點(diǎn)之間的間距中誤差不應(yīng)大于 70 mm，高程中誤差不應(yīng)大于 40 mm”的要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)車(chē)載激光掃描系統(tǒng)在南坪快速路竣工測(cè)量中的應(yīng)用，發(fā)揮了其在外業(yè)數(shù)據(jù)采集中機(jī)動(dòng)、便捷、快速的優(yōu)勢(shì)，其優(yōu)缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)車(chē)載激光掃描系統(tǒng)能獲取高密度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)去噪與糾偏，數(shù)據(jù)精度能滿足道路竣工測(cè)量需要。但車(chē)輛無(wú)法到達(dá)交通不便區(qū)域，激光無(wú)法穿透擋墻、樹(shù)木等遮擋物，無(wú)法識(shí)別地面管井信息，因此，需用常規(guī)的測(cè)量方法進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)量。

(2)外業(yè)數(shù)據(jù)采集快，但線劃地形圖處理自動(dòng)化程度不高，內(nèi)業(yè)工作周期長(zhǎng)，影響整體工程進(jìn)度。

(3)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與全景影像融合后形成可量測(cè)全景影像，可實(shí)景再現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)情況，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)全方位瀏覽和量測(cè)，方便規(guī)劃部門(mén)進(jìn)行規(guī)劃復(fù)核。但現(xiàn)行道路竣工測(cè)量?jī)H針對(duì)平面位置和高程數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核，無(wú)法體現(xiàn)可量測(cè)全景影像的優(yōu)勢(shì)。

(4)目前軟硬件設(shè)備較為昂貴，軟件尚不成熟，前期投入大，單個(gè)項(xiàng)目成本較高。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，設(shè)備成本將會(huì)越來(lái)越低、軟件技術(shù)越來(lái)越成熟，車(chē)載激光掃描系統(tǒng)會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。