車載移動測量技術在既有高速公路改擴建勘測中的應用研究

何小飛

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安）

前言

目前，我國高速公路運營總里程已達到16 萬公里，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，道路交通量日益增大，不少早期建成的高速公路已經(jīng)達到或者超過其通行能力，造成交通擁堵、服務能力下降的現(xiàn)象。因此，對既有高速公路進行擴能改造，以適應社會經(jīng)濟的發(fā)展需要，已成為近幾年研究的熱點問題[1]。高速公路改擴建的前提是精準掌握既有道路的現(xiàn)狀信息，從而輔助專業(yè)人員設計最佳的改擴建方案[2]。傳統(tǒng)的勘測方法多采用GPS-RTK、全站儀、水準測量等方法獲取路面數(shù)據(jù)，需要大量人員上道測量，存在安全隱患，而且效率低下、對正常交通產(chǎn)生干擾[3]。因此，需要尋求一種高效、高精度、自動化程度高的勘測手段來滿足現(xiàn)有的高速公路勘測要求。本研究采用我院自主研發(fā)的高精度車載移動測量系統(tǒng)進行高速公路勘測，將三維激光掃描系統(tǒng)安裝在汽車上，以30～40 km/h 速度勻速行駛在應急車道上，地面架設GNSS 基站同步觀測，可獲取公路路面及兩側的高密度點云和全景影像數(shù)據(jù)，利用靶標控制點對點云成果進行糾正，提高點云成果的絕對精度，最后在點云數(shù)據(jù)上可提取道路標線、橫縱斷面、制作高精度數(shù)字高程模型，為設計專業(yè)提供可靠、精確的道路基礎數(shù)據(jù)。相比傳統(tǒng)測量方法，本研究采用車載移動測量系統(tǒng)進行公路勘測，獲取的數(shù)據(jù)更加全面、作業(yè)效率和安全性更高，而且成果精度完全滿足公路勘測規(guī)范要求。

1 車載移動測量技術介紹

三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”，它通過激光掃描測量方法快速獲取被測對象表面的三維坐標數(shù)據(jù)及其他關鍵信息。車載移動測量系統(tǒng)則是將集成了三維激光掃描儀、慣導系統(tǒng)、GNSS 系統(tǒng)、里程計、全景相機等多傳感器的綜合測量系統(tǒng)整體加裝在車輛平臺上進行激光雷達掃描作業(yè)的主動式非接觸動態(tài)測量系統(tǒng)，具有測量速度快、作業(yè)安全性高、獲取信息全面、數(shù)據(jù)相對精度高等特點，為高速公路測量提供了一種新的思路和數(shù)據(jù)獲取手段。車載移動測量系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 車載移動測量系統(tǒng)示意

2 高速公路車載移動測量技術方案

在不影響正常交通運營的情況下，將車載移動測量系統(tǒng)安裝在汽車上進行線路掃描，獲取高精度、高密度空間三維點云數(shù)據(jù)和全景影像數(shù)據(jù)?？紤]到高速公路改擴建精度要求，掃描前需在線路兩側地面布設靶標控制點，掃描時在既有控制點上架設基站，后續(xù)經(jīng)過組合導航解算、點云糾正和坐標轉換得到工程坐標系下的點云數(shù)據(jù)，通過點云濾波處理，將中分帶樹木、欄桿及車輛去除，可制作精細數(shù)字高程模型，在此基礎上進行道路標線、橫縱斷面提取等工作，具體技術方案見圖2。

圖2 高速公路車載移動測量技術流程

2.1 靶標布設及測量

為方便靶標控制點的布設和測量，選擇在應急車道上按照每單向400 m，雙向交叉200 m 進行布設，見圖3。此外還需在往返車道分別按照間隔不大于1 km 均勻布設精度檢查點；互通立交匝道與正線交匯處、上跨立交前后、收費站前后以及GNSS 信號受影響區(qū)域適當加密靶標控制點，測區(qū)起終點處兩側車道均對稱布設靶標點。

圖3 靶標控制點布設示意

靶標控制點平面采用GPS-RTK 方法施測，高程采用水準方法測量，高程測量等級按照四等技術要求進行，路線閉合差（mm）。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

為保證車載點云數(shù)據(jù)差分解算精度，需在地面架設GNSS基站，與車載POS 系統(tǒng)內(nèi)置GNSS 接收機同步進行觀測，以實現(xiàn)動態(tài)DGPS 相位差分測量定位。相鄰GNSS 基站間隔通常不大于15 KM，基站接收機選用雙頻多星座，采樣頻率不大于0.5 s，且觀測時長覆蓋車載移動測量系統(tǒng)掃描時段。

事先與路政部門溝通掃描車在應急車道上行駛作業(yè)，掃描時應勻速行駛，盡量避免與過往大型車輛并行或尾隨，確保點云和GPS 信號不被遮擋。

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 POS 軌跡線解算

車載移動測量系統(tǒng)集成了多個傳感器，可同時獲取位置、姿態(tài)、里程等數(shù)據(jù)，利用組合導航解算軟件，將移動站GNSS 數(shù)據(jù)與基站GNSS 數(shù)據(jù)進行差分處理，獲取基于GNSS 的車載移動測量系統(tǒng)軌跡，將GNSS 差分結果與慣導IMU 數(shù)據(jù)、里程計數(shù)據(jù)進行緊耦合（Tightly Coupled）計算[4]，可得到最終的高精度POS 軌跡線數(shù)據(jù)（見圖4）。

圖4 解算的POS 軌跡線示意

2.3.2 點云糾正融合

將解算的POS 軌跡線數(shù)據(jù)與掃描數(shù)據(jù)進行融合處理，可得到三維空間的點云數(shù)據(jù)，此時點云精度為組合導航差分解算的精度，尚不能滿足高速公路勘測需求，要利用沿線布設的靶標控制點對POS 軌跡線進行糾正，以提高點云成果精度。糾正后的點云成果高程系統(tǒng)為大地高，而實際工程多采用水準高，通過計算7 參數(shù)對點云成果進行分段轉換，得到工程坐標系下的點云成果，最后利用沿線布設的檢核點對成果精度進行驗證，滿足要求后進行后續(xù)處理。靶標實物和點云中的靶標見圖5。

圖5 靶標實物和點云中的靶標

2.3.3 點云濾波

車載移動測量掃描時獲取了線路周圍全部地物信息，為了精準的獲取高速公路路面信息，利用濾波軟件和算法，對車輛、綠化帶、上跨橋梁、路基護欄等目標進行剔除，只保留地面點。通過構建不規(guī)則三角網(wǎng)，人工檢查濾波效果，對高程突變點進行手動分類，最終得到僅有地面點的點云數(shù)據(jù)。點云濾波前后示意見圖6。

圖6 點云濾波前后示意

2.3.4 道路標線及橫縱斷面提取

在獲取地面精確點云的基礎上，可利用軟件交互式提取道路的邊線、車道、中央隔離帶、硬路肩邊緣等信息[5]。首先人工選擇一小段地面標線，程序將根據(jù)點云強度及紋理信息進行追蹤提取，遇到虛標線或分叉標線時，需人工輔助提取，提取結果可輸出CAD 及坐標文本文件。

利用三維道路設計軟件對地面點進行地表模型構建，進而提取橫縱斷面。首先將道路中線導入進行平面設計，按照一定間距生成樁號文件；然后加載地面點云，采用不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）構建數(shù)字高程模型，根據(jù)三角網(wǎng)插值法進行點高程內(nèi)插，最后輸出橫、縱斷面圖。

3 項目應用實例

本研究以包茂高速陜西段改擴建項目為例，驗證車載移動測量技術在高速公路勘測中的有效性。該段線路為雙向四車道，路況環(huán)境復雜，繞行較多且車流量大，本次采用我院自主研發(fā)的rMMS 車載移動測量系統(tǒng)進行掃描，該系統(tǒng)集成了Z+F 雙頭激光掃描儀、全景相機、里程計等多傳感器，具體設備參數(shù)見圖7。本項目靶標布設在應急車道路面，按照200 m 間距交叉布設，掃描時車輛行駛在應急車道上，速度為30 km/h，共采集線路長度40 km，對向及繞行車道分多次采集。

圖7 rMMS 移動測量系統(tǒng)技術參數(shù)及掃描作業(yè)示意

內(nèi)業(yè)對掃描數(shù)據(jù)進行POS 軌跡線解算、點云糾正融合、坐標轉換、精度驗證等處理，得到最終點云成果（見圖8）。利用沿線布設的110 個檢核點驗證點云平面、高程精度，剔除粗差后，統(tǒng)計平面中誤差為1.8 cm，高程中誤差為1.0 cm，完全滿足高速公路勘測規(guī)范中的精度要求。平面精度統(tǒng)計見表1。高程精度統(tǒng)計見表2。

圖8 點云成果示意

表1 平面精度統(tǒng)計

表2 高程精度統(tǒng)計

點云成果精度滿足要求后，對點云進行濾波處理，得到地面點數(shù)據(jù)，利用軟件提取公路的中分帶邊緣線、行車道內(nèi)邊緣線、行車道外邊緣線、路肩線等特征線信息；通過構建數(shù)字高程模型，自動提取線路橫縱斷面數(shù)據(jù)，并繪制二維斷面圖。道路標線提取結果（上）及數(shù)字高程模型（下）見圖9。

圖9 道路標線提取結果（上）及數(shù)字高程模型（下）

4 結論

高速公路改擴建勘測的前提是精確獲取道路及其附屬結構的三維信息，傳統(tǒng)的勘測方法采用人工上道測量，工作量大、風險高且效率低下，對正常交通運營也存在干擾。本研究研究了基于車載移動測量技術的高速公路改擴建方法，采用雙頭激光掃描儀有效避免了過往車輛對點云的遮擋，通過布設靶標控制點進行糾正以提高點云精度，最終在路面點云上實現(xiàn)了道路標線及橫縱斷面提取。工程實踐表明，車載移動測量技術具有采集效率高、獲取要素全、勞動強度低等優(yōu)勢，有效減少了野外工作量，保證了人員作業(yè)安全，數(shù)據(jù)成果完全滿足高速公路改擴建規(guī)范要求，該方法在國、省道及城市道路改擴建中也同樣適用，今后可參考推廣。