激光测量车技术在工程测量中的应用

2015-02-07秦庆伟

地理空间信息 2015年4期

关键词：扫描仪靶标车载

秦庆伟

（1.湖南省第一测绘院，湖南衡阳 421001）

激光测量车技术在工程测量中的应用

秦庆伟1

（1.湖南省第一测绘院，湖南衡阳 421001）

三维激光扫描技术是目前最先进的测绘新技术之一，能够快速、精确地记录建筑物三维空间信息。介绍了车载三维激光测量系统的构成及测量原理，通过实例阐述了其特点及应用，可为相关测量提供借鉴和参考。

激光扫描；测量车；工程测量

1 三维激光测量车

车载三维激光测量系统精度优于5 cm，每个激光头激光光脉冲能够达到200 000 Hz，解析度达到1 cm。三维激光测量车系统中具有双传感器设计，测量的死角非常小。动态LiDAR测量车Lynx Mobile Mapper整合了1个定位与导航系统和2个ILRIS-3D激光扫描器，能够快速、精确地确定背侧物体。车顶部固定1台惯导、GPS天线和传感器，这种安装方式便于后期的仪器维护。三维激光测量车的特点在于拥有2个GPS天线，能够确定行使方向，测量单元能够控制测量误差，并提供信息更新。

本研究采用湖南省第一测绘院Lynx车载三维激光扫描系统，仪器是Optech。该系统有一个多传感器集成系统，包括同步控制单元以及遥感传感器等。车轮编码器ODO、惯性测量单元和GPS构成定位定姿传感器，获取时间、平台位置以及姿态等信息。遥感传感器采用了全景相机和激光扫描仪两部分。三维激光测量车包括VZ-400激光扫描仪和LMSQ120激光扫描仪，VZ-400激光扫描仪安装在车体的右后方，主要是获取目标点云信息；LMSQ120激光扫描仪主要是获取地表面点云，激光扫描仪的安装使用能够满足全方位场景下信息的获取。

车载系统所有传感器都安装在移动平台上面，由车载计算机系统进行控制。计算机系统建立各个传感器之间的几何关系，并保持各传感器的时间一致，运动和姿态同步。在三维激光测量车以一定速度运动的过程中，各个传感器的位置以及姿态数据信息通过POS系统记录，全景影像通过地面激光雷达和全景相机获取，三维激光测量车实现全方位场景下信息的快速获取。

2 三维激光测量车在工程测量中的应用

2.1 在外业数据采集中的应用

提前做好卫星星历预报以及绘制卫星环视图等工作，选择信号较好的时段采集数据，检查各个仪器的工作状态，进行POS系统的初始化，完成GPS信号的对齐工作，开启全景相机以及扫描仪，并设置各参数。VZ-400扫描仪固定在一个角度上进行扫描，在数据采集的过程中，注意观察GPS卫星信号、点云以及影像数据的采集。为保证数据采集的精度，在采集工作完毕后，需要停止一段时间。

POS数据主要是利用软件进行解算获取车载系统的信息。先将GPS分量与GPS数据进行差分处理，将处理结果与IMU数据进行紧耦合处理，得到高精度的位置以及姿态数据。在多传感器数据融合处理中，三维激光测量车系统对地面高速扫描，记录扫描的时间、角度等，利用Waypoint软件处理POS数据，利用激光扫描仪的外参数进行点云定位定姿处理。

在获取高精度的车载点云和全景影像后，利用软件系统半自动化提取道路特征边线信息，导入CAD，针对路面情况较为复杂的道路，可以在变化处截取纵断面，获取更加详细的信息，并标记高程。

2.2 实例分析

本研究实测的对象是湖南省怀化市境内高速公路及城区道路，使用中为了更好地控制和检查车载激光扫描的精度，需要在道路两侧铺设一些靶标点，在布置中可以选择道路沿线的特征点进行，如公路的急转弯点、建筑物的死角、路灯、交通标识底部等。结合路况的实际情况，靶标点设置在普通砖头和白色喷漆的结合处。激光对白色喷漆具有很强的反射强度，砖头能使激光扫描仪保持良好的工作状态。在一般情况下，以行车方向的左上角作为测量点。通过以上措施，能够保证布设的靶标控制点准确而清晰，提高点云数据的精度。靶标点需要均匀布置在高速公路的两侧，同一侧靶标点间隔小于500 m，两侧靶标点的布置呈现交叉状态。平面坐标的测量采用GPS-RTK方式，测量误差要求小于0.03 m。在靶标点的数据测量中，把控制点作为起算点。

在点云数据的采集与处理中需要注意以下问题。要求采集的数据主要包括公路点云数据、靶标数据以及基站数据。扫描车工作前，基站需要提前1 h开机初始化，并且在工作完毕1 h后，基站才关机。采样频率的设置要与扫描车上车载GPS的频率保持一致，按照要求布设并测量靶标数据。为保证点云数据的均匀性，要求扫描车匀速行使。每天外业采集的数据都要求当天进行初步检查和预处理，不合理的数据及时返工。在本次测量中，由于高速公路的扩建区域比较复杂，考虑到不同时段GPS信号差异等问题，为保证获取最佳数据，采用车载移动激光扫描分别测量双向车道，同一路段点云数据匹配精度要求在1 cm范围内，如图1所示。

图1 怀化城区部分点云图

扫描仪采集到的数据包括了测量车实时姿态数据、点云数据等，在解算扫描仪姿态数据中利用基站GPS数据差分处理，加入靶标检测点数据提高计算精度，最后再进行测量成果的分类与整理。在点云数据的提取中，由于公路工程测量对精度要求很高，因此车载点云数据需要采取平差和精度优化处理。经过验证，点云平面精度为0.037 m，平差后精度优于0.05/0.02 m，满足要求。再通过人工提取路面特征点，精度达到0.05/0.02 m的技术要求。在高速公路路面点的测量中，采用车载移动激光扫描测量技术测量公路老路，断面数据每隔10 m提取一次。