激光測(cè)量車(chē)技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用

秦慶偉

（1.湖南省第一測(cè)繪院，湖南 衡陽(yáng) 421001）

激光測(cè)量車(chē)技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用

秦慶偉1

（1.湖南省第一測(cè)繪院，湖南 衡陽(yáng) 421001）

三維激光掃描技術(shù)是目前最先進(jìn)的測(cè)繪新技術(shù)之一，能夠快速、精確地記錄建筑物三維空間信息。介紹了車(chē)載三維激光測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成及測(cè)量原理，通過(guò)實(shí)例闡述了其特點(diǎn)及應(yīng)用，可為相關(guān)測(cè)量提供借鑒和參考。

激光掃描；測(cè)量車(chē)；工程測(cè)量

1 三維激光測(cè)量車(chē)

車(chē)載三維激光測(cè)量系統(tǒng)精度優(yōu)于5 cm，每個(gè)激光頭激光光脈沖能夠達(dá)到200 000 Hz，解析度達(dá)到1 cm。三維激光測(cè)量車(chē)系統(tǒng)中具有雙傳感器設(shè)計(jì)，測(cè)量的死角非常小。動(dòng)態(tài)LiDAR測(cè)量車(chē)Lynx Mobile Mapper整合了1個(gè)定位與導(dǎo)航系統(tǒng)和2個(gè)ILRIS-3D激光掃描器，能夠快速、精確地確定背側(cè)物體。車(chē)頂部固定1臺(tái)慣導(dǎo)、GPS天線和傳感器，這種安裝方式便于后期的儀器維護(hù)。三維激光測(cè)量車(chē)的特點(diǎn)在于擁有2個(gè)GPS天線，能夠確定行使方向，測(cè)量單元能夠控制測(cè)量誤差，并提供信息更新。

本研究采用湖南省第一測(cè)繪院Lynx車(chē)載三維激光掃描系統(tǒng)，儀器是Optech。該系統(tǒng)有一個(gè)多傳感器集成系統(tǒng)，包括同步控制單元以及遙感傳感器等。車(chē)輪編碼器ODO、慣性測(cè)量單元和GPS構(gòu)成定位定姿傳感器，獲取時(shí)間、平臺(tái)位置以及姿態(tài)等信息。遙感傳感器采用了全景相機(jī)和激光掃描儀兩部分。三維激光測(cè)量車(chē)包括VZ-400激光掃描儀和LMSQ120激光掃描儀，VZ-400激光掃描儀安裝在車(chē)體的右后方，主要是獲取目標(biāo)點(diǎn)云信息；LMSQ120激光掃描儀主要是獲取地表面點(diǎn)云，激光掃描儀的安裝使用能夠滿足全方位場(chǎng)景下信息的獲取。

車(chē)載系統(tǒng)所有傳感器都安裝在移動(dòng)平臺(tái)上面，由車(chē)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)建立各個(gè)傳感器之間的幾何關(guān)系，并保持各傳感器的時(shí)間一致，運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)同步。在三維激光測(cè)量車(chē)以一定速度運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，各個(gè)傳感器的位置以及姿態(tài)數(shù)據(jù)信息通過(guò)POS系統(tǒng)記錄，全景影像通過(guò)地面激光雷達(dá)和全景相機(jī)獲取，三維激光測(cè)量車(chē)實(shí)現(xiàn)全方位場(chǎng)景下信息的快速獲取。

2 三維激光測(cè)量車(chē)在工程測(cè)量中的應(yīng)用

2.1 在外業(yè)數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用

提前做好衛(wèi)星星歷預(yù)報(bào)以及繪制衛(wèi)星環(huán)視圖等工作，選擇信號(hào)較好的時(shí)段采集數(shù)據(jù)，檢查各個(gè)儀器的工作狀態(tài)，進(jìn)行POS系統(tǒng)的初始化，完成GPS信號(hào)的對(duì)齊工作，開(kāi)啟全景相機(jī)以及掃描儀，并設(shè)置各參數(shù)。VZ-400掃描儀固定在一個(gè)角度上進(jìn)行掃描，在數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中，注意觀察GPS衛(wèi)星信號(hào)、點(diǎn)云以及影像數(shù)據(jù)的采集。為保證數(shù)據(jù)采集的精度，在采集工作完畢后，需要停止一段時(shí)間。

POS數(shù)據(jù)主要是利用軟件進(jìn)行解算獲取車(chē)載系統(tǒng)的信息。先將GPS分量與GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，將處理結(jié)果與IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行緊耦合處理，得到高精度的位置以及姿態(tài)數(shù)據(jù)。在多傳感器數(shù)據(jù)融合處理中，三維激光測(cè)量車(chē)系統(tǒng)對(duì)地面高速掃描，記錄掃描的時(shí)間、角度等，利用Waypoint軟件處理POS數(shù)據(jù)，利用激光掃描儀的外參數(shù)進(jìn)行點(diǎn)云定位定姿處理。

在獲取高精度的車(chē)載點(diǎn)云和全景影像后，利用軟件系統(tǒng)半自動(dòng)化提取道路特征邊線信息，導(dǎo)入CAD，針對(duì)路面情況較為復(fù)雜的道路，可以在變化處截取縱斷面，獲取更加詳細(xì)的信息，并標(biāo)記高程。

2.2 實(shí)例分析

本研究實(shí)測(cè)的對(duì)象是湖南省懷化市境內(nèi)高速公路及城區(qū)道路，使用中為了更好地控制和檢查車(chē)載激光掃描的精度，需要在道路兩側(cè)鋪設(shè)一些靶標(biāo)點(diǎn)，在布置中可以選擇道路沿線的特征點(diǎn)進(jìn)行，如公路的急轉(zhuǎn)彎點(diǎn)、建筑物的死角、路燈、交通標(biāo)識(shí)底部等。結(jié)合路況的實(shí)際情況，靶標(biāo)點(diǎn)設(shè)置在普通磚頭和白色噴漆的結(jié)合處。激光對(duì)白色噴漆具有很強(qiáng)的反射強(qiáng)度，磚頭能使激光掃描儀保持良好的工作狀態(tài)。在一般情況下，以行車(chē)方向的左上角作為測(cè)量點(diǎn)。通過(guò)以上措施，能夠保證布設(shè)的靶標(biāo)控制點(diǎn)準(zhǔn)確而清晰，提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度。靶標(biāo)點(diǎn)需要均勻布置在高速公路的兩側(cè)，同一側(cè)靶標(biāo)點(diǎn)間隔小于500 m，兩側(cè)靶標(biāo)點(diǎn)的布置呈現(xiàn)交叉狀態(tài)。平面坐標(biāo)的測(cè)量采用GPS-RTK方式，測(cè)量誤差要求小于0.03 m。在靶標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)測(cè)量中，把控制點(diǎn)作為起算點(diǎn)。

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集與處理中需要注意以下問(wèn)題。要求采集的數(shù)據(jù)主要包括公路點(diǎn)云數(shù)據(jù)、靶標(biāo)數(shù)據(jù)以及基站數(shù)據(jù)。掃描車(chē)工作前，基站需要提前1 h開(kāi)機(jī)初始化，并且在工作完畢1 h后，基站才關(guān)機(jī)。采樣頻率的設(shè)置要與掃描車(chē)上車(chē)載GPS的頻率保持一致，按照要求布設(shè)并測(cè)量靶標(biāo)數(shù)據(jù)。為保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的均勻性，要求掃描車(chē)勻速行使。每天外業(yè)采集的數(shù)據(jù)都要求當(dāng)天進(jìn)行初步檢查和預(yù)處理，不合理的數(shù)據(jù)及時(shí)返工。在本次測(cè)量中，由于高速公路的擴(kuò)建區(qū)域比較復(fù)雜，考慮到不同時(shí)段GPS信號(hào)差異等問(wèn)題，為保證獲取最佳數(shù)據(jù)，采用車(chē)載移動(dòng)激光掃描分別測(cè)量雙向車(chē)道，同一路段點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配精度要求在1 cm范圍內(nèi)，如圖1所示。

圖1 懷化城區(qū)部分點(diǎn)云圖

掃描儀采集到的數(shù)據(jù)包括了測(cè)量車(chē)實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)等，在解算掃描儀姿態(tài)數(shù)據(jù)中利用基站GPS數(shù)據(jù)差分處理，加入靶標(biāo)檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)提高計(jì)算精度，最后再進(jìn)行測(cè)量成果的分類(lèi)與整理。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的提取中，由于公路工程測(cè)量對(duì)精度要求很高，因此車(chē)載點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要采取平差和精度優(yōu)化處理。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，點(diǎn)云平面精度為0.037 m，平差后精度優(yōu)于0.05/0.02 m，滿足要求。再通過(guò)人工提取路面特征點(diǎn)，精度達(dá)到0.05/0.02 m的技術(shù)要求。在高速公路路面點(diǎn)的測(cè)量中，采用車(chē)載移動(dòng)激光掃描測(cè)量技術(shù)測(cè)量公路老路，斷面數(shù)據(jù)每隔10 m提取一次。

3 結(jié) 語(yǔ)

三維激光測(cè)量車(chē)能夠滿足復(fù)雜環(huán)境的測(cè)量，使用廣泛。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，三維激光測(cè)量車(chē)的裝備也會(huì)不斷更新，為測(cè)繪工作帶來(lái)更多的便利。

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B

1672-4623（2015）04-0130-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.046

秦慶偉，工程師，主要從事國(guó)土資源數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)及基礎(chǔ)測(cè)繪、數(shù)字城市建設(shè)工作。

2015-01-23。