利用移動三維激光測量系統進行公路竣工測量方法的研究

李 柏

(浙江省測繪大隊，浙江杭州 310030)

利用移動三維激光測量系統進行公路竣工測量方法的研究

李 柏

(浙江省測繪大隊，浙江杭州 310030)

研究移動三維激光測量系統在高速公路竣工測量中的應用方法，介紹測量系統的工作原理，制定該方法在實際應用中的技術流程，分析比較成果數學精度，總結出該方法的優缺點，對公路竣工測量具有重要應用價值。

移動三維激光測量系統；竣工測量；點云數據；精度分析

一、引 言

三維激光掃描技術作為非接觸式的快速獲取三維空間信息的新測繪方法，廣泛應用于測繪行業，并帶動了測繪技術的全新發展。以三維激光雷達為核心傳感器，結合GPS和IMU進行激光掃描的移動測量系統正在悄然興起。車載移動三維激光測量系統利用GPS/IMU以一定采樣頻率獲取慣導的位置和姿態信息，并將該信息傳遞給激光掃描儀，從而獲得掃描點在WGS-84坐標系下的三維坐標。在快速獲取的大量點云信息中提取用戶需要的部分，生成三維景觀模型或傳統的線劃圖，應用前景廣闊。本文以實際工作為例，采用國內自主研發的SSW車載激光建模測量系統，對全長40 km的嘉紹高速公路進行竣工測量，研究移動三維激光測量系統在實際工程應用中的方法及優缺點，為改進該項技術提供事實依據，并為該技術今后在公路測量領域中的廣泛應用奠定基礎。

二、技術應用背景

本次施測的嘉紹高速公路地處杭嘉湖平原嘉興境內，地勢平坦，水系發達，公路沿線多橋梁涵洞，兩側零星分布居民地及工廠企業，植被以水田為主，視野開闊。經過前期的現場踏勘及技術調研，本項目存在幾個工作難點：①高速公路指揮部要求工期非常緊急，20天內必須提交40 km 1∶1000帶狀圖的全部成果；②該路段已于2013年7月通車，路面車流量大，如果采用傳統方法派大量人員上路測繪存在重大安全隱患；③全封閉道路有鐵絲網與外界隔斷，鐵絲網外50 m地形圖實測難度大，人員進出不便；④公路沿線附近有空域管控地區，如果采用無人機航測同樣難以實施。為解決上述困難，按時完成工作任務，最終決定采用車載移動三維激光測量系統進行具體施測。移動測量系統在高速公路測量應用的案例并不多，經過技術論證，理論上通過該方法可以解決生產中的實際困難，大幅提高作業效率。

三、技術實施方法

1.SSW車載激光建模測量系統工作原理

SSW車載激光建模測量系統是北京四維遠見信息技術有限公司自主研發的新一代快速數據獲取及處理的高科技測量設備。SSW系統以各種工具車為載體，集成國產360°激光掃描儀、IMU和GPS、CCD相機，以及轉臺、里程計(DMI)等多種傳感器。系統由控制單元、數據采集單元和數據處理軟件構成。利用SSW車載激光建模測量系統進行已竣工高速公路三維數據獲取，經數據解算、校正、地理坐標匹配，并與CCD相機影像進行數據融合，得到三維彩色點云數據，采用系統后處理軟件進行地物特征信息提取，并對滿足要求的特征線進行手工編輯，使地物三維矢量數據滿足1∶1000地形圖測繪需要，轉化為DXF格式后，導入編圖軟件中進行數據編輯與整飾，形成地形圖。

2.利用SSW系統進行公路竣工測量的實施方法

根據技術設計內容及建設要求，車載移動激光測量系統獲取基礎地理信息及公路沿線精細點云數據，經數據解算獲得三維彩色點云數據，交互提取道路及附屬設施信息，參照高清照片編輯成圖，技術路線如圖1所示。

圖1 車載移動激光測量方法

(1)SSW系統控制測量

車載激光掃描系統距離基站控制點的作業半徑為15 km，為此選取了位于測區中間的兩點(GI26、GI10)作為車載激光掃描系統的作業控制點。GPS觀測使用2臺GPS接收機Trimble R8用于基站測量，并采用靜態觀測法。接收機開始正常接收并記錄數據后，通知車載激光掃描系統進行掃描工作，隨時注意衛星信號和信息的存儲情況。當接收或存儲出現異常時，及時與移動測量車取得聯系，重新進行測量。觀測結束后及時下載數據，并將當天的數據進行差分解算。差分解算采用IE軟件解算，先采用WGS-84大地坐標系，進行無約束自由網基線解算，再對車載激光掃描系統GPS數據進行差分，檢查附合《全球定位系統(GPS)測量規范》(GB/T 18314—2009)規定的限差之內時，輸入已知點成果，進行平差解算，最后成果轉換到當地坐標系統。

(2)激光點云外業數據獲取

1)掃描路線踏勘，主要進行設備測試，如GPS信號、掃描角度、軌跡記錄等(需要引導車)。

2)基站架設：由于本次任務是測繪帶狀圖，且是1∶1000大比列尺地形圖，要求精度高，測區總長度為40 km，根據車載測量移動精度要求(精度要求高時基站距離原則上不能超過10 km)，因此在測區中部設立兩個控制點(精度要求達到一級控制點的精度要求)，并在施工時架設兩個基站，分布如圖2所示。

圖2 基站設定及運行軌跡

3)控制點及檢查點測量：均勻分布檢查點，兩點間通視條件良好。

4)正式掃描：系統設備正常運轉時激光移動測量車按規劃路線以30 km/h速度行駛。

5)點云數據解算：包括組合導航計算、點云初計算、精度檢查、點云/軌跡修正等，得到正式彩色點云數據。

6)解算精度檢測：往返掃點云上采集相同位置的檢查點精度情況，對于往返不重合的地方用控制點修正或軌跡修正的方法進行修正。

(3)激光點云數據內業處理

將車載激光掃描系統采集的GPS數據、三維激光掃描儀數據、慣導IMU數據和CCD線陣相機數據，通過專用軟件聯合解算七參數，得到內業處理所需的“彩色點云”數據(相當于傳統上的碎部點)。數據處理包括組合導航計算、點云軌跡修正、影像文件處理、彩色點云計算、點云缺失處理和點云重疊處理等，如圖3、圖4所示。

圖3 原始點云數據(頂部)

(4)數學精度分析

為了確保數據成果質量，用傳統作業方式(RTK＋全站儀)采集沿線具有代表性的現狀地形數據，共采集靠近公路兩側具有代表性的地物點(包括房角、圍墻角、鐵絲網、涵洞等)220個，與最終提交的激光掃描生成的線劃圖成果數據進行比對。通過公式計算求得地物點點位中誤差為18 cm，限差為30 cm《1∶500 1∶1000 1∶2000外業數字測圖技術規程》(GB/T 14912—2005)。從誤差統計表(見表1)中可以看出大部分誤差值在10 cm以內，也有個別點超過限差。另外，對高速路面高程點進行隨機檢查，共檢查80個點，中誤差為15 cm，限差為30 cm。平面和高程精度均能滿足本次1∶1000線劃地形圖的要求。

圖4 生成1∶1000線劃圖

表1 部分地物點平面誤差統計表m

四、結束語

本文對移動三維激光測量系統在高速公路竣工測量中的應用方法進行了系統的研究，包括SSW車載激光建模測量系統的工作原理，在竣工測量中的技術實施以及數學精度的比較分析等，充分驗證了移動三維激光測量系統具有較高的工程應用價值。同時也通過具體實例找出該方法在應用中存在的不足：①點云處理及線型提取難度大；②遮擋區域有空洞時需外業補測；③受信號干擾產生精度損失等，需要今后在技術研發中進一步改進。尤其是內業處理中無法完全智能化提取必要地理信息元素，內業提取工作量大，而且容易造成地形失真、地物遺漏等問題。當然，移動三維激光測量系統強大的非接觸式快速獲取地理空間信息技術是傳統的測量手段無法比擬的，它能夠大幅減少外業工作量，提高工作效率，降低野外作業安全風險等，必將成為測繪行業技術升級的主攻方向。

[1] 聶倩，陳為民，陳長軍.車載三維激光掃描系統的外業參數標定研究[J].測繪通報，2013(11)：74-77.

[2] 楊伯鋼，韓友美.車載移動激光掃描技術大比例尺測圖技術分析[J].測繪科學，2013，38(1)：106-108.

[3] 區文思.城市道路竣工驗收測量與計算方法探討[J].城市勘測，2009(3)：96-98.

[4] 王星杰.三維激光掃描技術在道路竣工測量中的應用[J].北京測繪，2012(4)：67-71.

[5] 徐進軍，張民偉.地面3維激光掃描儀：現狀與發展[J].測繪通報，2007(1)：47-50.

[6] 歐斌.地面三維激光掃描技術外業數據采集方法研究[J].測繪與空間地理信息，2014，37(1)：106-108.

[7] 張毅.地面三維激光掃描點云數據處理方法研究[D].武漢：武漢大學，2008.

[8] 馬立廣.地面三維激光掃描測量技術研究[D].武漢：武漢大學，2005.

[9] 鄭德華，沈云中.三維激光掃描儀及其測量誤差影響因素分析[J].測繪工程，2005，14(2)：32-34.

[10] 梅文勝，周燕芳，周俊.基于地面三維激光掃描精細地形測繪[J].測繪通報，2010(1)：53-56.

Research on Method for Highway Final Survey Based on Moving 3D Laser Surveying System

LI Bai

P258

B

0494-0911(2014)09-0094-03

2014-07-19

李 柏(1976—)，男，遼寧昌圖人，碩士，高級工程師，主要從事工程測量應用技術方面的工作。引文格式:李柏.利用移動三維激光測量系統進行公路竣工測量方法的研究[J].測繪通報，2014(9)：94-96.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014. 0304