車載激光掃描技術(shù)在公路測(cè)量中的應(yīng)用

吳軍

（四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610031）

1 車載激光掃描技術(shù)概述

車載激光掃描測(cè)量系統(tǒng)的組成部分有：計(jì)算存儲(chǔ)單元、車輪編碼器、全景相機(jī)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、激光掃描儀等。在車輛行駛過程中，它能夠同步采集影像數(shù)據(jù)和三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，且密度高、精度高，在定位精準(zhǔn)度和類型多樣化等層面表現(xiàn)出了超強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)[1-2]。與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比，車載激光掃描技術(shù)無論是后期數(shù)據(jù)處理速度和精度還是數(shù)據(jù)豐富度都更高，并且測(cè)繪數(shù)據(jù)采集技術(shù)在行業(yè)中屬于最前端。

2 項(xiàng)目背景

以某縣2條地形地貌和長(zhǎng)度基本相同的縣級(jí)道路為例，分析車載激光掃描測(cè)量系統(tǒng)在高海拔復(fù)雜地形中作業(yè)的效率和精度指標(biāo)。道路X1的長(zhǎng)度約150km，道路X2的長(zhǎng)度約為145km。使用傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)測(cè)量道路X1，使用新型車載激光掃描技術(shù)測(cè)量道路X2，對(duì)比這兩種技術(shù)的作業(yè)程序和核心測(cè)量技術(shù)，并分析其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

使用的車載激光掃描儀為澳大利亞MaptekI-site8820掃描儀。該儀器內(nèi)置的相機(jī)像素達(dá)到7 000萬，掃描距離為2km，使用的掃描器為高激光掃描器，從而在最短的時(shí)間內(nèi)高效獲取被測(cè)物體的三維信息。掃描操作使用的主要設(shè)備為手持控制器，通過自帶的14倍望遠(yuǎn)鏡鏡頭進(jìn)行后視和手持控制器進(jìn)行操作掃描，將勞動(dòng)強(qiáng)度降到最低，野外作業(yè)施工效率得到顯著提高。

3 公路測(cè)量中車載激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

3.1 實(shí)驗(yàn)過程

確定勘測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)地，部署全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System,GPS）控制網(wǎng)和4等水準(zhǔn)網(wǎng)。共布置了132個(gè)D級(jí)控制點(diǎn)、383個(gè)一級(jí)加密GPS控制點(diǎn)。主要考慮控制點(diǎn)分布合理、密度均勻、便于直接使用。X2線GPS控制網(wǎng)在X1線獨(dú)立坐標(biāo)系中聯(lián)合測(cè)量了3個(gè)D級(jí)GPS點(diǎn)，同步觀測(cè)時(shí)間為180min，將GPS計(jì)算結(jié)果作為起始數(shù)據(jù)。

X1線采用全場(chǎng)數(shù)字測(cè)繪方法，利用載波相位差分技術(shù)（Real Time Kinematic,GPS-RTK）進(jìn)行圖根控制測(cè)量和碎片點(diǎn)采集。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)采集、補(bǔ)充測(cè)量、檢測(cè)后，使用南方CASS9.1軟件進(jìn)行內(nèi)部處理。

考慮到盡可能提升掃描數(shù)據(jù)的精確性，將X2線工程分成了5段，具體為：AK段50.422km、BK段33.58km、CK段6.553km、DK段23.618km、LK段12.541km，從而實(shí)施分段掃描測(cè)量。從點(diǎn)云到測(cè)繪結(jié)果的實(shí)現(xiàn)包括點(diǎn)云拼接、數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化、地理測(cè)量、數(shù)字高程模型（Digital Elevation Modeling,DEM）建模、縱橫剖面圖生成，并通過隨機(jī)軟件包I-Site studio軟件平臺(tái)來處理所有數(shù)據(jù)。

3.2 測(cè)區(qū)交通條件

測(cè)量區(qū)域?yàn)楦咴貐^(qū)，平均海拔達(dá)到4 700m，最高處海拔達(dá)到5 000m以上，施工區(qū)域的空氣非常稀薄，地勢(shì)落差起伏大，氣候瞬息萬變，日溫差變化明顯，交通條件比較差，野外作業(yè)施工人員會(huì)出現(xiàn)缺氧或者凍傷的情況。最終決定使用新型車載激光掃描技術(shù)和無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)，顯著提升施工的工作效率并減少野外作業(yè)的工作量，保證測(cè)量工作在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成。

由于氣候變化明顯，氣溫高低起伏，航線落差非常大，嚴(yán)重影響無人機(jī)的穩(wěn)定性，大幅降低了施工作業(yè)的效率。在全面分析技術(shù)路線后，決定使用車載激光掃描技術(shù)，其穩(wěn)定性比較強(qiáng)，能夠在-40～50℃溫度區(qū)間正常作業(yè)，同時(shí)具有超強(qiáng)的防水性和防塵性。

3.3 布設(shè)基準(zhǔn)站

作業(yè)區(qū)中未能發(fā)現(xiàn)省級(jí)或者國家級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)和控制點(diǎn)，已有的測(cè)量控制點(diǎn)不能當(dāng)作起算點(diǎn)，需使用GPS靜態(tài)同步觀測(cè)法埋設(shè)首級(jí)控制點(diǎn)，并在線路X1和X2上設(shè)置單獨(dú)的坐標(biāo)系，將與GPS同步的WGS84坐標(biāo)系作為核心坐標(biāo)系，中央子午線為92°30′00″，將4 700m測(cè)區(qū)的平均高程面設(shè)置為投影面，確保最終的數(shù)據(jù)結(jié)果更加準(zhǔn)確。

3.4 布設(shè)激光掃描靶標(biāo)

受到坐標(biāo)軸指向、慣導(dǎo)坐標(biāo)系的原點(diǎn)、激光掃描儀坐標(biāo)系不同等因素的影響，GPS/IMU（Inertial Measurement Unit，慣性測(cè)量單元）組合定位定姿系統(tǒng)給出的姿態(tài)和位置不可以直接用于車載激光點(diǎn)云的算法中。使用車載激光掃描系統(tǒng)過程中，首先確定慣導(dǎo)坐標(biāo)系與激光掃描儀坐標(biāo)系的相對(duì)位置關(guān)系，然后使用三維控制點(diǎn)標(biāo)定車輛激光掃描系統(tǒng)。在道路兩側(cè)按照規(guī)定的間距設(shè)置靶標(biāo)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高精度標(biāo)定車載激光掃描系統(tǒng)。

3.5 處理掃描盲區(qū)

在激光測(cè)量中，難點(diǎn)之一是存在測(cè)量死角，將激光掃描儀設(shè)置于移動(dòng)車輛中，因?yàn)閽呙鑳x安裝位置、車輛高度等因素，激光掃描儀的視角可能會(huì)被遮擋一部分，由此產(chǎn)生了掃描盲區(qū)。此外，由于道路沿線存在橋梁、廣告牌以及護(hù)欄等，這些構(gòu)筑物也會(huì)擋住部分視角，造成激光掃描盲區(qū)，進(jìn)而出現(xiàn)點(diǎn)云空洞。為保證掃描數(shù)據(jù)的完整性，在作業(yè)時(shí)抬高車頂?shù)鬃图す鈷呙鑳x安裝高度，增設(shè)激光掃描探頭2個(gè)，沿著道路雙向反復(fù)掃描，并使用GPS-RTK對(duì)采集漏洞區(qū)域予以彌補(bǔ)，使道路兩側(cè)地形圖測(cè)繪結(jié)果更加完整。

3.6 處理車載激光掃描數(shù)據(jù)

車載激光測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)量比較大，存在非連續(xù)覆蓋的情況，給數(shù)據(jù)的進(jìn)一步使用、傳輸和解算處理帶來了負(fù)面影響[3]。掃描激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在冗余性，體現(xiàn)在：①多次掃描同一位置，因此數(shù)據(jù)存在重復(fù)的可能性；②多余數(shù)據(jù)非常多，例如在提取建筑信息時(shí)，只要提取到墻體邊緣的點(diǎn)云數(shù)據(jù)即可，墻面中間部位可以不用處理；③受環(huán)境的影響，點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)存在噪聲點(diǎn)，出現(xiàn)大量與掃描目標(biāo)不相關(guān)的冗余數(shù)據(jù)。

點(diǎn)云的噪聲去除在點(diǎn)云預(yù)處理中非常重要，目的是去除無關(guān)的目標(biāo)，以此獲取到“干凈”的目標(biāo)點(diǎn)云。作業(yè)過程中，通常存在環(huán)境噪聲和目標(biāo)噪聲兩大類。處理數(shù)據(jù)時(shí)，需要根據(jù)噪聲的尺度來進(jìn)行濾除，先按照順序去除數(shù)據(jù)環(huán)境噪聲，以此減小數(shù)據(jù)分析的范圍和數(shù)據(jù)量，之后再去除目標(biāo)噪聲。

3.7 評(píng)價(jià)成果精準(zhǔn)度

使用中誤差的方式評(píng)價(jià)測(cè)量成果的精度。本項(xiàng)目對(duì)公路施工設(shè)計(jì)中測(cè)量數(shù)據(jù)的精度要求比較高。成果控制和研究結(jié)論受評(píng)價(jià)指標(biāo)、測(cè)量成果精度平差和測(cè)量數(shù)據(jù)精度的影響非常明顯。成果精度平差的指標(biāo)設(shè)定包括多項(xiàng)內(nèi)容，如高程中誤差檢查、控制測(cè)量平面位置中誤差等，還要對(duì)橫斷面、中樁的精度進(jìn)行檢查。對(duì)比GPS-RTK測(cè)繪技術(shù)與車載激光掃描技術(shù)，合理配置成本、儀器和施工人員，同時(shí)做好成圖精度和作業(yè)繁瑣程度等指標(biāo)的設(shè)定。

3.8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）使用新型車載激光掃描技術(shù)后，及時(shí)獲取了道路帶狀地形土體測(cè)繪和斷面與中樁測(cè)量成果，在實(shí)地檢查點(diǎn)云坐標(biāo)和測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)后，共有200個(gè)控制點(diǎn)被測(cè)量，誤差控制在0.04m以內(nèi)。使用1∶1000地形圖檢查精度，鄰近圖根點(diǎn)與地物點(diǎn)的點(diǎn)位誤差保持在±4.6cm，與高程標(biāo)記點(diǎn)的誤差保持在±6.8cm。結(jié)果表明，測(cè)量的數(shù)據(jù)誤差在規(guī)定范圍之內(nèi)，在傳統(tǒng)GPS-RTK、全站儀和1∶1000帶狀道路測(cè)繪數(shù)據(jù)的采集過程中，使用激光掃描測(cè)繪技術(shù)能夠顯著提升測(cè)量結(jié)果的可靠性和精確性。

（2）利用MaptekI-site8820長(zhǎng)距離三維激光掃描技術(shù)，對(duì)精度平差控制技術(shù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)處理技術(shù)、長(zhǎng)距離激光掃描地物精度控制技術(shù)和靶標(biāo)布設(shè)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)等進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上得到線路X2兩側(cè)200m內(nèi)的地貌和地形激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再使用MaptekI-SiteStudio處理軟件高效獲取關(guān)于激光測(cè)繪超遠(yuǎn)距離地形的數(shù)據(jù)。

（3）車載激光掃描技術(shù)在設(shè)備安全、人員投入、成本以及作業(yè)效率方面擁有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)主要表現(xiàn)為：基站范圍會(huì)對(duì)掃描精度帶來影響；掃描存在盲區(qū)；電腦配置標(biāo)準(zhǔn)高；后期數(shù)據(jù)處理工作量大；儀器設(shè)備成本投入高等。整體來看，在公路測(cè)量中使用車載激光掃描技術(shù)，成本投入和工作效率都會(huì)發(fā)生很大改變。

4 結(jié)語

車載激光掃描系統(tǒng)的應(yīng)用可以大大擴(kuò)大數(shù)據(jù)采集的范圍，增強(qiáng)數(shù)據(jù)采集能力，顯著提升施工現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集效率，實(shí)現(xiàn)了全方位的三維空間信息采集和反射強(qiáng)度信息獲取，從而滿足空間信息的表達(dá)和獲取需求，突破了傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的局限，使其技術(shù)優(yōu)勢(shì)在公路測(cè)量領(lǐng)域得到最大化的發(fā)揮。深入研究車載激光掃描系統(tǒng)的使用效果，對(duì)不同方案進(jìn)行了對(duì)比分析，綜合考慮各方面的影響因素，獲得了最佳的測(cè)量方案。