IP-S2移動測量系統(tǒng)在高速公路測量中的應(yīng)用

麥照秋,陳 雨,鄭 祎,王 磊

(1.國家測繪局第七地形測量隊,海南海口 570203;2.北京拓普康商貿(mào)有限公司,北京 101102)

IP-S2移動測量系統(tǒng)在高速公路測量中的應(yīng)用

麥照秋1,陳 雨2,鄭 祎2,王 磊2

(1.國家測繪局第七地形測量隊,海南海口 570203;2.北京拓普康商貿(mào)有限公司,北京 101102)

結(jié)合 IP-S2移動測量系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn),提出一套完整的高速公路測量應(yīng)用方案,并成功應(yīng)用于高速公路快速數(shù)據(jù)采集中,為高速公路管理部門關(guān)注的路面板塊、道路附屬物、服務(wù)區(qū)和加油站等信息提供了現(xiàn)勢性很強(qiáng)的地形圖和三維影像成果,也為高速公路建庫管理的數(shù)據(jù)采集及更新提供了一種先進(jìn)手段。

移動測量系統(tǒng);傳感器;道路測量;全景影像

一、前 言

隨著我國公路建設(shè)事業(yè)的迅猛發(fā)展,高等級公路逐步實(shí)現(xiàn)了 GIS數(shù)據(jù)庫管理,這種管理技術(shù)在對路面板塊現(xiàn)狀、道路附屬物以及道路財產(chǎn)等的管理工作中顯得尤為重要。為了能夠獲得道路板塊現(xiàn)狀,以確保道路通行通暢,管理部門希望能夠獲得現(xiàn)狀地形圖的同時,也能夠獲得現(xiàn)勢性強(qiáng)的三維全景影像資料,做到及時、準(zhǔn)確地掌握道路目前狀況,快速查詢道路且制定維護(hù)養(yǎng)護(hù)計劃。

目前高速公路數(shù)據(jù)的采集,仍在使用傳統(tǒng)的GPS RTK和全站儀等傳統(tǒng)作業(yè)方式,作業(yè)效率低且作業(yè)安全隱患多,并且成果單一(二維地形圖)。本文通過提出基于 IP-S2移動測量系統(tǒng)的一整套數(shù)字地形圖測繪和全景影像獲取的實(shí)施方案,既能達(dá)到提供常規(guī)數(shù)字地形圖的要求,同時又能為道路管理部門提供三維全景影像,給道路管理部門對道路板塊、道路附屬設(shè)施和道路財產(chǎn)的管理提供了更多的便利。

二、IP-S2移動測量系統(tǒng)簡介

IP-S2移動測量系統(tǒng)是目前世界上最為先進(jìn)的一種測繪手段。它是在機(jī)動車上裝配 GNSS全球定位系統(tǒng)、 IMU慣性測量單元、車輛控制編碼系統(tǒng)以及激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等先進(jìn)的傳感器和設(shè)備來實(shí)現(xiàn)測量任務(wù)的。運(yùn)用 IP-S2(如圖 1所示),可以在車輛的正常行進(jìn)之中,通過激光掃描和數(shù)碼照相的方式快速采集城市、道路等目標(biāo)區(qū)域或線路的整體空間位置數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù),并同步存儲在系統(tǒng)計算機(jī)中,經(jīng)專門軟件編輯處理,形成所需的專題圖數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。

圖 1 IP-S2移動測量系統(tǒng)

三、作業(yè)方案

公路管理部門為了實(shí)現(xiàn)建庫管理,要求測繪公路兩側(cè)各約100m寬的1∶2 000帶狀地形圖,同時要以更高精度采集路面(橋面)、收費(fèi)廣場等板塊的三維坐標(biāo),以及全部道路附屬物如電話亭、車輛監(jiān)測器、里程碑等三維坐標(biāo)。因此本文提到的高速公路測量,包含常規(guī)的數(shù)字地形圖測繪與滿足 GIS建庫所需的數(shù)據(jù)采集。

經(jīng)過 140 km的試驗性生產(chǎn),并在已用常規(guī) GPS RTK和全站儀完成測繪的路段,用 IP-S2系統(tǒng)重新施測,對兩套成果的平面和高程精度進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計,選用多種作業(yè)方案比對,力求在滿足精度要求的同時減少工作量,提高工效。結(jié)合 IP-S2系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn),最后提出比較成熟的作業(yè)方案。

1.基站距離的設(shè)計

為保證 1∶2 000地形圖測量及數(shù)據(jù)采集的精度,GNSS基站覆蓋半徑距離控制在 10 km以內(nèi)為宜,一方面可以滿足 GNSS/ IMU數(shù)據(jù)融合解算結(jié)果的精度,另一方面可以增加動態(tài)后處理的可靠性,減少設(shè)站數(shù)量。圖 2為作業(yè)基站布設(shè)示意圖。

圖2 測量作業(yè)基站布設(shè)示意圖

2.車輛行駛速度

車輛行進(jìn)速度應(yīng)適中,將時速保持在 35～40 km/h左右為宜。這樣激光掃描所得的點(diǎn)云陣列的線間距在 10 cm以內(nèi),以便線狀及點(diǎn)狀地物信息的采集。

3.影像數(shù)據(jù)的處理和整合

將經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的三維激光點(diǎn)云和全景影像數(shù)據(jù)在專門開發(fā)的制圖系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)整合,并完成內(nèi)業(yè)成圖。成圖過程利用的是高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和清晰的影像資源,使作業(yè)從室外搬入室內(nèi)。

4.平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

輸出成果坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS-84系統(tǒng),而實(shí)際應(yīng)用必須是 1954北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系或2000國家大地坐標(biāo)系,因此要進(jìn)行平面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。該項工作采用分段坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行,并通過重合路段數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核。

平面轉(zhuǎn)換技術(shù)采樣常用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法,即

式中:s、t為新坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo),x、y為舊坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo);a、b為舊坐標(biāo)系原點(diǎn)在新坐標(biāo)系內(nèi)的縱、橫坐標(biāo);θ為舊坐標(biāo)系縱軸在新坐標(biāo)系內(nèi)的方位角;k為長度比。a、b、θ和 k等換算元素按最小二乘原理來確定。

5.水準(zhǔn)高程轉(zhuǎn)換

輸出成果高程系統(tǒng)為WGS-84大地高,而工程實(shí)際采用的是 1985國家高程基準(zhǔn),因此需要進(jìn)行高程系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。本方案采用線狀擬合技術(shù),該項工作采用分段高程擬合方法進(jìn)行,并通過重合路段數(shù)據(jù)和 GPS水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行檢核。

高程轉(zhuǎn)換技術(shù)采樣常用的線性擬合方法,即

式中,H為大地高;h為正常高;ξ為高程異常。假設(shè)在距離較近的區(qū)域高程異常 (ξ)為線性變換,可利用線性變換公式和最小二乘原理求解。

整個作業(yè)流程如圖 3所示。

圖3 作業(yè)流程圖

四、結(jié)果和分析

1.精度統(tǒng)計

為了全面檢驗 IP-S2測量系統(tǒng)實(shí)際的測量精度,確保新裝備、新技術(shù)成功應(yīng)用在道路測量、三維景觀測量和常規(guī)工程測量等工程中,筆者進(jìn)行了以下幾項精度檢驗。

(1)控制點(diǎn)平面及高程精度的檢驗與比較

通過在點(diǎn)云圖上識別控制點(diǎn)并采集坐標(biāo)與已知值比較(如圖 4～圖 5所示),并對差值進(jìn)行比較,統(tǒng)計結(jié)果如表 1所示。

圖4 三維點(diǎn)云上控制點(diǎn)采集結(jié)果

圖5 二維點(diǎn)云上控制點(diǎn)采集結(jié)果

表1 控制點(diǎn)精度檢核統(tǒng)計

(2)特征點(diǎn)平面及高程精度的檢驗與比較

通過在點(diǎn)云圖上識別地形特征點(diǎn)(如圖6～圖7所示),并對采集坐標(biāo)與已知值的差值進(jìn)行比較,統(tǒng)計結(jié)果如表 2所示。

圖6 三維點(diǎn)云上攝像頭采集結(jié)果

圖7 二維點(diǎn)云上攝像頭采集結(jié)果

表2 特征點(diǎn)精度檢核統(tǒng)計

(3)平面及高程轉(zhuǎn)換后精度的檢驗與比較

采用分段坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和線性高程擬合的方法對重合點(diǎn)進(jìn)行比較,統(tǒng)計平面和高程差值,統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

表3 重合點(diǎn)精度檢核統(tǒng)計

通過比較得出,用分段坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和線性高程擬合的方法可以滿足 1∶2 000數(shù)字地形圖測繪的要求。

2.成果形式

利用 IP-S2移動測量系統(tǒng)進(jìn)行高速公路測量,能夠得到以下成果：

1)外業(yè)采集的原始數(shù)據(jù),處理后的點(diǎn)云和全景照片;

2)高速公路帶狀地形圖(如圖 8所示);

圖8 帶狀地形圖成果

3)高速公路三維采集和管理信息系統(tǒng)(如圖 9～圖 12所示)。

圖9 高速公路路牌清晰可見(采集入庫)

圖10 全景量測功能

圖11 點(diǎn)云繪圖功能

圖12 道路裂痕清晰可見

3.工作效率

與傳統(tǒng)作業(yè)方法比較,應(yīng)用 IP-S2系統(tǒng),外業(yè)作業(yè)內(nèi)容只限于滿足基準(zhǔn)的控制測量以及極少掃描不到的地物補(bǔ)測,整體外業(yè)工作量減少了 80%左右;由于大量的外業(yè)工作變成室內(nèi)的內(nèi)業(yè)采集,使工程工效提高了一倍左右。帶來了較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

五、結(jié)束語

應(yīng)用 IP-S2移動測量系統(tǒng)來完成高速公路數(shù)據(jù)采集項目,具有巨大的優(yōu)勢,主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1)對高速公路的管理,形成了一套完整的一體化方案,使高速公路管理更加快捷、方便。

2)IP-S2的應(yīng)用,完全滿足高速公路各不同比例尺數(shù)字地形圖測繪的精度要求,并且對于高速公路路面可以清晰的辨別(例如板縫、車轍等)。而更大的優(yōu)勢在于,照片和點(diǎn)云的同步采集,使管理員可以更清楚的了解公路狀況。

3)高速公路測繪成果更加豐富直觀,成果具有多樣性。不再是簡單的帶狀地形圖,同時還可以通過全景相片,建立高速公路兩側(cè)的全景影像,更加生動地查看高速公路狀況,多方面反應(yīng)高速公路現(xiàn)狀(如路牌、里程碑等)。

4)外業(yè)操作更加簡單,減少測量員安全隱患。

5)大大降低了作業(yè)成本和縮短了工程工期,創(chuàng)造了更大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 劉基余.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法[M].北京：科學(xué)出版社,2003.

[2] 鄭利龍,曹志剛.GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合[J].電子學(xué)報,2002,30(9)：1384-1386.

[3] 武漢大學(xué)測繪學(xué)院測量平差學(xué)科組.誤差理論與測量平差基礎(chǔ)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社,2005.

[4] 張小國,王慶,萬德鈞.車載組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)中傳感器參數(shù)的實(shí)時校正[J].儀表技術(shù)與傳感器,2000(6)：32-33.

[5] 王華斌.萬慶.高速公路養(yǎng)護(hù)管理信息系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)[J].地球信息科學(xué),2005,7(4)：71-76.

[6] 李洪濤,許國昌,孽鴻印,等.GPS應(yīng)用程序設(shè)計[M].北京：科學(xué)出版社,2000.

Application ofM obileM easurement System IP-S2 in Highway Surveying

MA I Zhaoqiu,CHEN Yu,ZHENG Yi,WANG lei

0494-0911(2010)12-0023-04

P228

B

2010-11-04

麥照秋(1970—),男,海南昌江人,碩士生,高級工程師,主要從事大地測量學(xué)與 GIS方面的研究。