车载三维激光扫描技术在轨道交通竣工测量中的应用

崔逍，李俊峰，徐央杰

(宁波市测绘设计研究院，浙江 宁波 315042)

车载三维激光扫描技术在轨道交通竣工测量中的应用

崔逍*，李俊峰，徐央杰

(宁波市测绘设计研究院，浙江 宁波 315042)

基于尝试动态三维激光扫描技术替代传统测绘技术的目的，以宁波市轨道交通2号线高架区间规划竣工测量项目为例，采用并融合GPS、POS、IMU、三维激光扫描、点云处理等技术，着重讨论了车载扫描野外数据采集及处理、三维点云数据向二维成果转化的过程及方法，最后通过与传统方法的对比验证，得出新方法可行的结论。

车载三维激光扫描；POS数据解算；点云；二维成果转化

1 引 言

宁波市轨道交通2号线一期工程于2015年9月竣工通车。在项目验收通车前，我院实施了规划竣工测量工作。其中高架区间的竣工测量采用了车载三维激光扫描技术，大大降低了劳动时间和劳动强度，提高了作业效率。

宁波市轨道交通2号线一期工程高架段全长 6.2 km，西起江北区常洪隧道北侧，沿宁镇公路途经路林站、三官堂站、宁波大学站、清水浦站，东至镇海区东外环停车场。为了给规划管理部门的验收工作提供客观、全面的竣工测量数据，竣工测量成果须包含竣工地形图以及横、纵剖图。

成果精度应满足《宁波市城乡规划测绘管理技术规定》、《宁波市1∶500 1∶1000 1∶2000数字地形测量技术规程》的要求，高架区间结构的成果精度应满足上述规程中二类地物的精度要求：点位中误差优于 ±7.5 cm、高程中误差优于±15 cm(相对于临近图根点)。

本文以宁波市轨道交通2号线一期工程高架区间竣工测量项目为依托，回顾了项目实施过程中野外数据采集、点云数据处理等技术环节，通过与传统方法检测成果对比的方式验证成果精度，总结了新方法新技术的优势及项目实施过程中的不足之处。

2 野外数据采集

野外数据采集所采用的车载三维激光扫描系统由宁波市测绘设计研究院和武汉大学共同开发研制，如图1所示，其以帕拉丁汽车为移动平台，集成安装了1部高精度惯性导航设备(GPS/IMU)、1台高分辨率全景相机、2台RIEGL公司不同型号的激光扫描仪VZ-400和LMS-120i、1台同步控制单元以及4台工控计算机。

图1 车载三维激光扫描系统

系统采集前，应对行进路线进行合理规划，并提前了解卫星星历预报，防止GPS授时错误。系统进入采集开始采集前，应停止一段时间，以实现POS系统的初始化。在前往测区过程中，选择一条GPS观测条件较好的直线道路行驶一段时间。当车辆抵达测区时，VZ-400固定在车辆一侧保持在一个角度上进行线状条带扫描，LMS-Q120i固定在车辆后侧对车辆下方进行线状条带扫描。作业过程中系统行进速度约 30 km/h，尽量保证车辆平稳行驶。扫描角度视现场环境及时调整，避免出现较大的扫描空洞。在数据采集完毕后，将车辆停止一段时间，保证最终的POS数据精度。

3 数据处理

3.1 点云数据处理

(1)POS数据解算

利用Waypoint软件对车载POS数据与GPS基站数据进行联合解算。原始POS数据包括基站数据以及移动站数据。其中基站数据为GNSS静态观测数据，供差分GNSS使用；移动站数据包括GNSS数据以及惯导IMU数据。POS数据后处理首先需将移动站GNSS数据与基站GNSS数据进行差分处理，解算得到基于GNSS的车载LiDAR系统轨迹，然后将GNSS差分结果与惯导IMU数据进行紧耦合(TC，Tightly Coupled)，如果采用双向紧耦合模式，需将双向紧耦合结果进行组合，并将紧耦合结果进行RTS平滑得到最终的高精度位置与姿态数据，同理可得采用松耦合模式时的解算，最后将处理结果输出，即得到处理后的POS数据。其处理流程如图2所示：

图2 基于差分GNSS的POS数据处理

(2)激光点云定位定向

定位前，将IMU和车载GPS数据进行分离，将分离出来后的GPS数据进行定位解算。根据计算获得的GPS天线处坐标信息计算激光扫描仪处的坐标信息。GPS天线偏心分量实测获得；IMU偏心分量和IMU与激光扫描仪相对位置取标定资料提供的值。联合POS数据解算结果，确定每一个激光点的绝对坐标值，实现点云数据的定向。

(3)点云裁切以及噪声点剔除

车载系统在数据扫描的过程中，不可避免产生了很多较多冗余数据以及其他原因产生的噪声数据等，因而需要对点云数据进行滤波。采用自主研制的City Scene软件逐站将激光点云数据逐段导入，通过软件的过滤功能去除噪声点云，得到滤波后的点云数据，如图3所示。

图3 处理后的三维激光点云截图

3.2 竣工图绘制

在获取了轨道交通结构完整的三维激光点云数据后，利用我院自主开发的“清云点云处理系统”，综合选择以下几种方法绘制二维平面图、纵剖图、横剖图。

(1)取点

对于路灯、电杆、井盖、消火栓、标高点等独立地物要素，在三维激光点云中直接取点导入二维绘图平台进行绘制。

(2)画线

用于高架结构外轮廓线平面图的绘制。在三维激光点云中对高架区间外轮廓线进行画线，导入二维绘图平台。

(3)水平切片

主要用于高架墩柱的平面图绘制。按一定的标高对点云进行水平切片，得到高架墩柱的外轮廓点云，自动连线处理后导入至二维绘图平台，如图4、图5所示。

图4 墩柱点云水平切片截图

图5 墩柱二维成果图

(4)垂直切片

垂直切片主要用于横、纵剖面的绘制，在垂直视角下按绘制的断面线对点云数据进行切片，自动连线处理后导入至二维绘图平台，如图6、图7所示。

图6 高架结构垂直切片截图

图7 高架结构横剖面二维成果图

4 精度检验

为了验证成果精度，采用传统全站仪检测结构特征点35个，计算成果点位中误差及高程中误差分别为 7.4 cm和 6.8 cm，满足相关规范要求。另外，如通过高精度检测点校正点云数据，可以得到更高精度的成果。

5 结 语

利用车载三维激光扫描技术进行规划竣工测量，可以满足二类地物的精度指标。与传统方法相比具有大幅度提高生产效率(外业时间为传统方法的10%)、降低劳动强度的优势，所获得的海量点云数据所包含的信息量更大，数据可挖掘、可拓展的价值更高。三维点云向二维成果转化的过程中，不同地物采取不同的处理方式可以有效提高内业生产效率。

[1] 张毅. 地面三维激光扫描点云数据处理方法研究[D]. 武汉：武汉大学，2008.

[2] 卢秀山，李清泉，冯文灏等. 车载式城市信息采集与三维建模系统[J]. 武汉大学学报·工学版，2003，36(3)：76～80.

[3] 聂倩，陈为民，陈长军. 车载三维激光扫描系统的外参数标定研究[J]. 测绘通报，2013(11)：74～77.

[4] 尤红建，丁赤彪，向茂生. 机载高分辨率SAR 图像直接对地定位原理及精度分析[J] . 武汉大学学报·信息科学版，2005，30(8)：712～715.

[5] 张卡，盛业华，叶春等. 车载三维数据采集系统的绝对标定及精度分析[J] . 武汉大学学报·信息科学版，2008(1)：55～59.

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，工程师，注册测绘师，主要从事工程测量等技术工作。