多載體移動測量系統(tǒng)在海塘工程中的應用研究

蔣明秀 陳輝

（浙江省測繪科學技術研究院 浙江杭州 311100）

1 引言

錢塘江海塘歷史悠久，位于錢塘江河口地區(qū)兩岸，是人工修建的擋潮堤壩，它是錢塘江河口地區(qū)抗御洪潮的重要屏障，承載著巨大的歷史和文件價值，時至今日，依然發(fā)揮著作用。采用傳統(tǒng)的測繪方式對海塘進行測量，耗時長、勞動強度大、安全性差，同時野外采集的點位稀少，很難反應海塘工程的細致變化。

三維激光掃描技術是繼GPS空間定位技術之后又一項測繪技術突破，已經在測繪裝備領域掀起了又一場技術革命。移動測量系統(tǒng)即移動測圖系統(tǒng)（Mobile Mapping System，MMS），是當今測繪界最為前沿的科技之一[1]，具有主動測量、非接觸、快速獲取、高效率等特點，已成為獲取高分辨率空間信息的一種重要技術手段，在數字城市、大比例尺測圖及質檢、公路竣工測量、地理國情普查、三維建模、海島礁測量等方面得到了成功應用[2-10]，目前移動測量系統(tǒng)的研究與應用是國內外的熱點。本文結合移動測量系統(tǒng)的原理，通過車載和船載移動測量系統(tǒng)對錢塘江海塘工程的測量，研究移動測量系統(tǒng)在海塘中的應用。

2 移動測量系統(tǒng)

移動測量系統(tǒng)是通過移動平臺（飛機、汽車、艦船等）搭載的由多傳感器集成的自動化數據采集系統(tǒng)，主要由供電控制單元、數據采集單元和數據處理軟件等構成，其中傳感器主要有兩種，一種是位姿傳感器，包括GNSS、IMU（慣性測量單元），兩者組成了POS系統(tǒng)（定位定姿系統(tǒng)），車載移動測量系統(tǒng)還有DMI（車輪編碼器）；另外一種是空間數據采集傳感器，如激光掃描儀、相機等。

系統(tǒng)各個傳感器通過機械結構集成為一體，為獲取高精度的數據，必須對移動測量系統(tǒng)進行標定，精確的系統(tǒng)標定是對各傳感器數據進行處理的前提，也直接關系到后續(xù)處理的精度，它也是系統(tǒng)研究的關鍵技術之一，通過系統(tǒng)標定以獲取各傳感器之間的相對位置關系并建立嚴格的幾何關系。在移動平臺運動過程中，激光掃描儀測量記錄了目標地物的角度和距離數據，IMU記錄了車輛行駛的實時姿態(tài)數據，GNSS記錄了車輛行駛的實時定位數據，DMI則記錄了車輛行駛的里程數據，用于輔助系統(tǒng)位置的解算，通過POS系統(tǒng)實時完成對系統(tǒng)的定位定姿；影像用于獲取目標地物的影像。系統(tǒng)以GPS時間為主線，通過相互間關系最終可以獲取所測目標的帶有絕對坐標信息的點云數據和帶有姿態(tài)的影像數據，點云數據是對外界環(huán)境最準確、最真實的還原，展現了被測目標的原貌。

3 應用實例

測區(qū)是位于杭州市江干區(qū)的錢塘江海塘，長度約3km，本次利用SSW移動測量系統(tǒng)進行作業(yè)，流程大致分為：外業(yè)數據采集、點云數據處理、成果生產，具體流程如圖1所示：

圖1 點云數據采集及處理流程

3.1數據采集

經實地踏勘，由于海塘路面有諸多限高，常規(guī)的移動測量系統(tǒng)并不能連續(xù)而順利的掃描，因此采用了微型車載移動測量系統(tǒng)進行作業(yè)，微型車載移動測量系統(tǒng)是將常規(guī)車載移動測量系統(tǒng)的掃描設備安裝到小三輪車上進行掃描測量的系統(tǒng)。沿岸地帶，在使用車載移動測量系統(tǒng)時未能完整掃描其數據，因此使用了船載移動測量系統(tǒng)，兩者使用的是同一套系統(tǒng)，移動平臺的更換并不需要重新檢校。

在測量作業(yè)開始前，架設GNSS基準站以提供差分處理數據，按照事先規(guī)劃的路線進行往返車載掃描，往掃和返掃時車輛在海塘路面不同側行駛采集數據。船載掃描時離岸距離小于100m，盡量貼近岸邊，同樣進行往返掃。車載與船載配合掃描最大限度保證數據無盲區(qū)，外業(yè)采集獲得的數據包括GNSS基準站數據、GNSS流動站數據、IMU數據、DMI數據、原始激光數據、影像數據。

3.2數據處理

通過標定獲得的各傳感器之間的相對位置和姿態(tài)數據可以認為在一定時間段內是穩(wěn)定不變的[11]，因此可以直接用標定所獲取的相對位置和姿態(tài)數據等參數進行下一步的點云處理。

（1）點云生成。

首先對兩次獲得的各傳感器的數據進行預處理工作，包括原始激光數據解碼，POS數據解算、影像姿態(tài)計算等。預處理工作完成后利用標定參數對獲取的激光數據、POS定位定姿數據以及目標影像數據進行處理，最終解算出基于WGS-84坐標系統(tǒng)的激光點云數據。由于移動測量系統(tǒng)獲取的點云數據擁有絕對坐標，因此船載掃描的點云數據可以直接與車載激光掃描的數據無縫接合，而不需要點云拼接處理工作。

（2）點云濾波。

點云數據中存在由于被測物體的材料性質、外界干擾等因素的影響而不可避免產生的噪聲點，以及植被等各種非地面點，因此需要進行地面點濾波。本文采用一種基于TIN（不規(guī)則三角網）的漸進加密算法。該方法是把原始解算出的三維激光點云以格網分割，對每個格網建立索引，并對比統(tǒng)計每個格網內的最低點，并將這些最低點作為種子地面點，通過這些種子點建立初始TIN模型，然后通過濾波參數（迭代角和迭代距離）不斷向上加密該TIN模型，以此提取新的地面點。在所有點進行濾波后，依舊有部分非地面點被歸為地面點，此時通過人工方法將部分自動濾波無法分類或分類錯誤的進行精化處理，得到最后的地面點云數據，如圖2所示。

圖2 濾波后的地面點云（局部）

3.3成果生產

（1）DEM制作

DEM的生成是建立在已經濾波處理后的點云數據基礎之上，采用TIN插值方法內插生成所需要的DEM數據，成果圖如圖3所示。

圖3 生成的DEM（局部）

（2）斷面線提取

基于DEM數據自動生成海塘斷面，是通過海塘路面中心線生成的垂直于中心線的斷面，兩斷面之間是同一間距的。斷面提取精度與點云數據的密度有很大的相關性，點云密度越大，提取的特征點越多，提取的斷面越準確[12]。圖4所示即是斷面線提取結果，通過該斷面能夠充分了解海塘及周邊一定范圍地物在垂直于海塘路面中心線方向上的高程信息。

圖4 海塘斷面提取結果（局部）

3.4分析評價

為進一步檢驗移動測量數據的精度，選取GNSS RTK實測地面點與點云數據進行對比分析，選取95個實測地面點與斷面數據點進行計算，統(tǒng)計其高差中誤差，最終統(tǒng)計的高差中誤差為0.091m。中誤差按下式計算∶

其中，M為成果中誤差；n為檢測點（邊）總數；Δi為較差。

檢測結果表明斷面成果穩(wěn)定可靠。通過數據分析可知，高差中誤差主要受到兩方面的影響：一是地面植被的影響，對于成片的地面低矮植被，在進行點云地面濾波時很難有效剔除，造成對后期數據的影響；二是掃描盲區(qū)的影響，遮擋引起的掃描盲區(qū)，激光點無法測量到，產生了直接影響，同時由于在構建DEM時，需要利用周圍的數據對盲區(qū)的高程值進行內插，因此一定程度上降低了斷面的準確性。

4 結束語

作為一種新型測繪技術手段，移動測量系統(tǒng)展現了其快速、高效的數據獲取方式，本文通過探索移動測量系統(tǒng)在錢塘江海塘工程的應用研究，提出通過多平臺搭載移動測量系統(tǒng)獲取三維點云數據，并基于點云數據生產DEM及斷面圖，最終提取的數據能夠滿足要求。試驗表明通過移動測量系統(tǒng)能有效地彌補了傳統(tǒng)測繪方式的不足，通過行駛掃描瞬間即可獲得掃描軌跡兩側的高密度、高精度三維激光點云數據，然后依據這些點云數據生產海塘DEM及斷面成果，這種數據生產方式，能更直觀更真實地反映海塘的實際情況，同時有效解決了傳統(tǒng)斷面測量與DEM技術勞動強度大、安全性差、效率低、信息損失大等局限性，與傳統(tǒng)測量方法比較具有一定的優(yōu)勢，若是將其與水下地形測量相結合，進行水上水下一體化測量，則在江河海的相關應用中具有更廣泛的前景。