車載三維激光掃描技術在軌道交通竣工測量中的應用

崔逍，李俊峰，徐央杰

(寧波市測繪設計研究院，浙江 寧波 315042)

車載三維激光掃描技術在軌道交通竣工測量中的應用

崔逍*，李俊峰，徐央杰

(寧波市測繪設計研究院，浙江 寧波 315042)

基于嘗試動態三維激光掃描技術替代傳統測繪技術的目的，以寧波市軌道交通2號線高架區間規劃竣工測量項目為例，采用并融合GPS、POS、IMU、三維激光掃描、點云處理等技術，著重討論了車載掃描野外數據采集及處理、三維點云數據向二維成果轉化的過程及方法，最后通過與傳統方法的對比驗證，得出新方法可行的結論。

車載三維激光掃描；POS數據解算；點云；二維成果轉化

1 引 言

寧波市軌道交通2號線一期工程于2015年9月竣工通車。在項目驗收通車前，我院實施了規劃竣工測量工作。其中高架區間的竣工測量采用了車載三維激光掃描技術，大大降低了勞動時間和勞動強度，提高了作業效率。

寧波市軌道交通2號線一期工程高架段全長 6.2 km，西起江北區常洪隧道北側，沿寧鎮公路途經路林站、三官堂站、寧波大學站、清水浦站，東至鎮海區東外環停車場。為了給規劃管理部門的驗收工作提供客觀、全面的竣工測量數據，竣工測量成果須包含竣工地形圖以及橫、縱剖圖。

成果精度應滿足《寧波市城鄉規劃測繪管理技術規定》、《寧波市1∶500 1∶1000 1∶2000數字地形測量技術規程》的要求，高架區間結構的成果精度應滿足上述規程中二類地物的精度要求：點位中誤差優于 ±7.5 cm、高程中誤差優于±15 cm(相對于臨近圖根點)。

本文以寧波市軌道交通2號線一期工程高架區間竣工測量項目為依托，回顧了項目實施過程中野外數據采集、點云數據處理等技術環節，通過與傳統方法檢測成果對比的方式驗證成果精度，總結了新方法新技術的優勢及項目實施過程中的不足之處。

2 野外數據采集

野外數據采集所采用的車載三維激光掃描系統由寧波市測繪設計研究院和武漢大學共同開發研制，如圖1所示，其以帕拉丁汽車為移動平臺，集成安裝了1部高精度慣性導航設備(GPS/IMU)、1臺高分辨率全景相機、2臺RIEGL公司不同型號的激光掃描儀VZ-400和LMS-120i、1臺同步控制單元以及4臺工控計算機。

圖1 車載三維激光掃描系統

系統采集前，應對行進路線進行合理規劃，并提前了解衛星星歷預報，防止GPS授時錯誤。系統進入采集開始采集前，應停止一段時間，以實現POS系統的初始化。在前往測區過程中，選擇一條GPS觀測條件較好的直線道路行駛一段時間。當車輛抵達測區時，VZ-400固定在車輛一側保持在一個角度上進行線狀條帶掃描，LMS-Q120i固定在車輛后側對車輛下方進行線狀條帶掃描。作業過程中系統行進速度約 30 km/h，盡量保證車輛平穩行駛。掃描角度視現場環境及時調整，避免出現較大的掃描空洞。在數據采集完畢后，將車輛停止一段時間，保證最終的POS數據精度。

3 數據處理

3.1 點云數據處理

(1)POS數據解算

利用Waypoint軟件對車載POS數據與GPS基站數據進行聯合解算。原始POS數據包括基站數據以及移動站數據。其中基站數據為GNSS靜態觀測數據，供差分GNSS使用；移動站數據包括GNSS數據以及慣導IMU數據。POS數據后處理首先需將移動站GNSS數據與基站GNSS數據進行差分處理，解算得到基于GNSS的車載LiDAR系統軌跡，然后將GNSS差分結果與慣導IMU數據進行緊耦合(TC，Tightly Coupled)，如果采用雙向緊耦合模式，需將雙向緊耦合結果進行組合，并將緊耦合結果進行RTS平滑得到最終的高精度位置與姿態數據，同理可得采用松耦合模式時的解算，最后將處理結果輸出，即得到處理后的POS數據。其處理流程如圖2所示：

圖2 基于差分GNSS的POS數據處理

(2)激光點云定位定向

定位前，將IMU和車載GPS數據進行分離，將分離出來后的GPS數據進行定位解算。根據計算獲得的GPS天線處坐標信息計算激光掃描儀處的坐標信息。GPS天線偏心分量實測獲得；IMU偏心分量和IMU與激光掃描儀相對位置取標定資料提供的值。聯合POS數據解算結果，確定每一個激光點的絕對坐標值，實現點云數據的定向。

(3)點云裁切以及噪聲點剔除

車載系統在數據掃描的過程中，不可避免產生了很多較多冗余數據以及其他原因產生的噪聲數據等，因而需要對點云數據進行濾波。采用自主研制的City Scene軟件逐站將激光點云數據逐段導入，通過軟件的過濾功能去除噪聲點云，得到濾波后的點云數據，如圖3所示。

圖3 處理后的三維激光點云截圖

3.2 竣工圖繪制

在獲取了軌道交通結構完整的三維激光點云數據后，利用我院自主開發的“清云點云處理系統”，綜合選擇以下幾種方法繪制二維平面圖、縱剖圖、橫剖圖。

(1)取點

對于路燈、電桿、井蓋、消火栓、標高點等獨立地物要素，在三維激光點云中直接取點導入二維繪圖平臺進行繪制。

(2)畫線

用于高架結構外輪廓線平面圖的繪制。在三維激光點云中對高架區間外輪廓線進行畫線，導入二維繪圖平臺。

(3)水平切片

主要用于高架墩柱的平面圖繪制。按一定的標高對點云進行水平切片，得到高架墩柱的外輪廓點云，自動連線處理后導入至二維繪圖平臺，如圖4、圖5所示。

圖4 墩柱點云水平切片截圖

圖5 墩柱二維成果圖

(4)垂直切片

垂直切片主要用于橫、縱剖面的繪制，在垂直視角下按繪制的斷面線對點云數據進行切片，自動連線處理后導入至二維繪圖平臺，如圖6、圖7所示。

圖6 高架結構垂直切片截圖

圖7 高架結構橫剖面二維成果圖

4 精度檢驗

為了驗證成果精度，采用傳統全站儀檢測結構特征點35個，計算成果點位中誤差及高程中誤差分別為 7.4 cm和 6.8 cm，滿足相關規范要求。另外，如通過高精度檢測點校正點云數據，可以得到更高精度的成果。

5 結 語

利用車載三維激光掃描技術進行規劃竣工測量，可以滿足二類地物的精度指標。與傳統方法相比具有大幅度提高生產效率(外業時間為傳統方法的10%)、降低勞動強度的優勢，所獲得的海量點云數據所包含的信息量更大，數據可挖掘、可拓展的價值更高。三維點云向二維成果轉化的過程中，不同地物采取不同的處理方式可以有效提高內業生產效率。

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OntheCompletionoftheVehicle3DLaserScanningTechnologyandItsApplicationintheMeasurementofRailTraffic

Cui Xiao，Li Junfeng，Xu Yangjie
(Ningbo Institute of Surveying & Mapping，Ningbo 315042，China)

Dynamic 3d laser scanning technology based on trying to replace the traditional surveying and mapping technology，the purpose of the rail transit line no. 2 in ningbo elevated range planning completed measuring project as an example，using GPS，POS，innovative marketing and fusion，3d laser scanning，point cloud processing，such as technology，emphatically discusses the on-board scanning field data acquisition and processing，3d point cloud data to the 2d achievements transformation process and method，at last，by comparing with the traditional method validation，come to the conclusion that the new method is feasible.

on-board 3d laser scanning；POS data decoding；point cloud；2d achievements transformation

1672-8262(2017)06-84-03

P234.4

B

2017—02—15

崔逍(1987—)，男，工程師，注冊測繪師，主要從事工程測量等技術工作。