基于移動測量系統(tǒng)的道路里程樁放樣研究

李 真，時 斐

(江蘇省測繪研究所，江蘇 南京 210013)

0 引言

“移動道路測量”是在機(jī)動車上裝配GPS，CCD，INS或航位推算系統(tǒng)等先進(jìn)的傳感器和設(shè)備，在車輛的高速行進(jìn)之中，快速采集道路及道路兩旁地物的空間位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)[1]。“移動測量系統(tǒng)”在移動載體平臺上集成多種傳感器，由傳感器自動采集載體的運(yùn)動位置、姿態(tài)及周圍環(huán)境點(diǎn)云及影像等各種三維連續(xù)地理空間數(shù)據(jù)，而后按一定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法和融合算法，對生成各種空間信息應(yīng)用系統(tǒng)所需的圖形和數(shù)據(jù)信息，最終可重建測區(qū)真實(shí)場景。

本文基于移動測量系統(tǒng)在精度上的優(yōu)勢，探索研究了車載移動測量技術(shù)。首先，利用采集車輛獲取道路的全景影像和高精度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過疊加全景影像及三維點(diǎn)云，動態(tài)采集道路的三維空間場景，可以實(shí)現(xiàn)對道路空間線型的精確采集，準(zhǔn)確計(jì)算其里程樁位置，從而對公路里程進(jìn)行實(shí)地放樣。

1 研究方法

基于移動測量采集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，自動生成線路軌跡，經(jīng)內(nèi)業(yè)處理后，計(jì)算公里樁位置，最后根據(jù)位置信息進(jìn)行公里樁的回放。

研究總體技術(shù)路線包括：

(1)道路實(shí)景三維采集：將移動采集設(shè)備架設(shè)到汽車上，經(jīng)過線路勘察和規(guī)劃等前期準(zhǔn)備，設(shè)置外業(yè)采集計(jì)劃，對全省的國省干線公路進(jìn)行點(diǎn)云及全景照片的采集。

(2)內(nèi)業(yè)處理路線數(shù)據(jù)：通過對采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行IE解算，得到移動采集設(shè)備的采集軌跡點(diǎn)集，根據(jù)甲方對路線處理的要求，經(jīng)內(nèi)業(yè)處理后即為國省道路線數(shù)據(jù)。

(3)計(jì)算公里樁位置：利用ArcGIS插件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)路線公里樁及每段路線起止點(diǎn)里程樁的自動化計(jì)算。

(4)外業(yè)回放公里樁：將自動計(jì)算的公路里程樁數(shù)據(jù)平移至道路邊線位置，計(jì)算其經(jīng)緯度坐標(biāo)，根據(jù)對應(yīng)的路線名稱、里程樁號、經(jīng)緯度信息等進(jìn)行路面的回放打點(diǎn)，采用GPS-RTK法進(jìn)行公里樁施測。

2 道路實(shí)景三維采集

移動車載測量過程是將移動測量設(shè)備架設(shè)在汽車上，根據(jù)規(guī)劃的采集線路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最終獲得點(diǎn)云、全景影像、絕對坐標(biāo)和定位定姿等原始數(shù)據(jù)。

道路實(shí)景三維采集主要分為前期準(zhǔn)備、設(shè)備安裝、數(shù)據(jù)預(yù)采集、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備卸載以及數(shù)據(jù)整理等6個階段。

(1)前期準(zhǔn)備：首先對待測區(qū)域的大致情況進(jìn)行了解，根據(jù)道路的分布情況、精度要求等做出初步的采集路線計(jì)劃。同時，對設(shè)備的完整性和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢查確認(rèn)。

(2)設(shè)備安裝：設(shè)備安裝包括基站的架設(shè)及車載測量設(shè)備的安裝等。在進(jìn)行外業(yè)采集之前，確?；疽呀?jīng)架設(shè)完畢，并開始正常工作。

按照對中、整平、測高、采集的先后順序進(jìn)行基站架設(shè)，對于基站的位置選擇，通常情況下移動站與基站之間的距離不能超過20 km，即每次架設(shè)好基站后，移動站的工作范圍限定在以基站為中心，半徑20 km的圓形區(qū)域內(nèi)。在沒有停止基站數(shù)據(jù)采集的情況下，不能移動基站的位置。

基站架設(shè)完成后，對車載測量設(shè)備進(jìn)行安裝，先安裝一體化結(jié)構(gòu)平臺，再進(jìn)行全景相機(jī)與車輪編碼器的安裝。

(3)數(shù)據(jù)預(yù)采集：數(shù)據(jù)預(yù)采集主要是通過移動采集設(shè)備進(jìn)行一定的試拍，在確保所有設(shè)備能夠正常工作，采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、全景照片等正常，且相機(jī)曝光參數(shù)正確后，方可進(jìn)行正式的數(shù)據(jù)采集。

(4)數(shù)據(jù)采集：在采集開始前，需尋找衛(wèi)星信號較好地段，并驗(yàn)證當(dāng)前IMU收斂角度，保證測量精度。在完成POS采集、掃描儀采集后，開始進(jìn)行外業(yè)采集作業(yè)。根據(jù)預(yù)先規(guī)劃好的采集線路及采集順序，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

(5)設(shè)備卸載：在設(shè)備電源全部關(guān)閉后，進(jìn)行移動采集設(shè)備卸載。

(6)數(shù)據(jù)整理：在設(shè)備拆除之后，數(shù)據(jù)需要從不同的設(shè)備拷貝至數(shù)據(jù)存儲磁盤中。

3 道路實(shí)景三維采集精度驗(yàn)證

使用一體化三維移動測量系統(tǒng)結(jié)合RTK的測量方式，通過特征點(diǎn)坐標(biāo)值的對比來驗(yàn)證道路數(shù)據(jù)采集精度。以RTK實(shí)測坐標(biāo)為基準(zhǔn)，與移動測量系統(tǒng)獲取的三維激光點(diǎn)云中提取的坐標(biāo)比對，統(tǒng)計(jì)其精度。

3.1 試驗(yàn)條件

(1)需要采集道路標(biāo)線、標(biāo)志標(biāo)牌等特征點(diǎn)坐標(biāo)，要求道路上行駛車輛要少，路邊不能?？看罅寇囕v，以防道路標(biāo)線、標(biāo)志標(biāo)牌被嚴(yán)重遮擋，無法采集到有用數(shù)據(jù)。

(2)要求道路標(biāo)線清晰，無嚴(yán)重磨損，與路面顏色反差較大，便于識別。標(biāo)志標(biāo)牌周圍無明顯干擾物體。

(3)要求GPS信號質(zhì)量良好(有效衛(wèi)星5顆及以上)。

3.2 精度分析與對比

(1)外業(yè)作業(yè)精度評測：對測試路段進(jìn)行點(diǎn)云采集，通過IE解算，得到POS的精度，作為評定點(diǎn)云精度的指標(biāo)之一。此次試驗(yàn)POS精度小于30 cm，精度良好。

(2)坐標(biāo)提?。涸谌S激光點(diǎn)云處理軟件中，提取相應(yīng)特征點(diǎn)的坐標(biāo)，將RTK坐標(biāo)和點(diǎn)云坐標(biāo)錄入Excel對比分析xyz方向差值及三維距離，并分析均方差。

(3)結(jié)論：經(jīng)測試，采用移動測量系統(tǒng)采集道路數(shù)據(jù)的精度滿足JT/T318—1997《公路定位規(guī)則》的精度要求，精度對比如表1所示。

表1 精度對比

4 路線數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理

對于外業(yè)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，獲取精確的道路路線數(shù)據(jù)。

(1)IE解算：IE解算處理操作分為4個階段，分別為數(shù)據(jù)模式轉(zhuǎn)換階段、添加數(shù)據(jù)階段、數(shù)據(jù)處理階段和數(shù)據(jù)導(dǎo)出階段。

首先對基站數(shù)據(jù)、移動站數(shù)據(jù)進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換，隨后對數(shù)據(jù)進(jìn)行緊耦合解算，依次設(shè)置處理模式、IMU、對齊模式、桿壁值、IMU旋轉(zhuǎn)角等參數(shù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。設(shè)置坐標(biāo)軸及經(jīng)緯度后，按1 m的長度間隔將數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

(2)路線線性處理：由于IE解算后的POS文件中存放了每隔1 m的采集路線經(jīng)緯度信息，根據(jù)這一信息對路線數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。根據(jù)經(jīng)緯度信息將1 m間隔的路線點(diǎn)集轉(zhuǎn)換成線性路線，疊加正射影像，對路線的交叉口、線型、共線等進(jìn)行處理，最終形成路線矢量數(shù)據(jù)。

5 里程樁位置計(jì)算

利用移動車載測量采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對路線進(jìn)行制作，該路線數(shù)據(jù)中帶有高程信息，依據(jù)路線數(shù)據(jù)及道路起止點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算道路表面長度，從起點(diǎn)開始，在路線上每隔1 km打一個點(diǎn)，即為公里樁，公里樁樁號從0開始。

利用距離附屬設(shè)施最近的公里樁樁號，基于ArcGIS的里程樁反算技術(shù)，自動計(jì)算附屬設(shè)施與該公里樁沿道路上行方向的距離，從而計(jì)算附屬設(shè)施的樁號。

6 公里樁實(shí)地回放

采用GPS-RTK 法進(jìn)行施測，將里程碑樁號及坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入GPS，根據(jù)每個點(diǎn)位坐標(biāo)放點(diǎn)，每隔1km 測設(shè)一個點(diǎn)，實(shí)際施測點(diǎn)位必須位于公路邊上，標(biāo)記采用紅色油漆噴涂，所做標(biāo)記于路肩或路邊的路面上。

(1)準(zhǔn)備工作：包括資料準(zhǔn)備、技術(shù)設(shè)計(jì)、制定生產(chǎn)實(shí)施計(jì)劃、人員設(shè)備準(zhǔn)備等。資料準(zhǔn)備工作包括資料的收集與整理，根據(jù)收集的資料、任務(wù)書及相關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求，編寫項(xiàng)目技術(shù)設(shè)計(jì)，制定確實(shí)可行的生產(chǎn)實(shí)施計(jì)劃。

(2)確定中央子午線：通過ARGIS建立經(jīng)緯度格網(wǎng)，得到中央子午線分布圖。通過判別落在相應(yīng)經(jīng)緯度范圍內(nèi)確定經(jīng)緯度，精確到整數(shù)位。

(3)建立坐標(biāo)系統(tǒng)：坐標(biāo)系統(tǒng)橢球采用CGCS2000橢球，中央子午線設(shè)定為上述確定好的中央子午線。

(4)導(dǎo)入待放樣數(shù)據(jù)：放樣采用RTK法，放樣點(diǎn)提前導(dǎo)入手簿，點(diǎn)文件格式可采用“*.txt”格式，以逗號分隔，其他格式可根據(jù)手簿要求，進(jìn)行配置。數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，需檢查數(shù)據(jù)是否導(dǎo)入正確。

(5)RTK放樣：點(diǎn)放樣過程中，為了快速找點(diǎn)，首先利用非固定狀態(tài)的RTK找到放樣點(diǎn)概略位置，再由固定狀態(tài)的RTK精確放樣。

華測X10放樣步驟如下：如圖1所示，首先從【點(diǎn)管理】中選擇要放樣的點(diǎn)后，在【待放樣點(diǎn)】查看點(diǎn)放樣任務(wù)，有了具體放樣目標(biāo)后，屏幕顯示當(dāng)前點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的方向線，同時會實(shí)時顯示當(dāng)前平面坐標(biāo)，點(diǎn)擊切換后可顯示當(dāng)前點(diǎn)到放樣點(diǎn)的偏移量、距離、高差、俯仰角、方位角，隨著放樣操作者的移動，數(shù)值和視圖會發(fā)生變化。通過不斷減小與待放樣點(diǎn)的距離，最終可得到符合精度要求的放樣點(diǎn)。

圖1 放樣步驟

(6)標(biāo)志噴涂：利用噴漆或油漆噴繪放樣點(diǎn)標(biāo)志時，選擇平整、干燥的路面進(jìn)行噴涂，保證標(biāo)志清楚、明顯。同時，為了避免標(biāo)志在埋樁前被破壞，在路面以外選擇另一明顯地物(如小樹、護(hù)欄等)進(jìn)行輔助噴涂，每個點(diǎn)都作點(diǎn)之記，幫助后期埋樁時快速找點(diǎn)。

7 結(jié)語

傳統(tǒng)的道路里程樁數(shù)據(jù)是由外業(yè)利用全站儀、皮尺等工具實(shí)際測量而來，投入產(chǎn)出比較低。利用移動測量技術(shù)快速獲取道路三維點(diǎn)云，運(yùn)用ArcGIS插件技術(shù)，對道路里程信息進(jìn)行自動計(jì)算，在提高精度的同時，大大減少了外業(yè)作業(yè)工作量，縮短了外業(yè)采集時間，更在很大程度上解決了外業(yè)工作危險性的問題。