韓　尚

(福建省測(cè)繪院，福建 福州 350003)

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車載LiDAR用于軌道線帶狀圖測(cè)量的高程精度分析

韓尚

(福建省測(cè)繪院，福建 福州 350003)

Height Accuracy Analysis of Rail Line Strip Map Based on Vehicle LiDAR System

HAN Shang

摘要：目前，軌道交通建設(shè)在各大中城市日益興起，傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)手段難以快速獲取城市軌道交通帶狀圖，而車載LiDAR作為一種新的測(cè)量技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、全面地獲取道路兩側(cè)的詳細(xì)地物信息，并且在高程測(cè)量上能夠達(dá)到較高的精度。本文以SSW移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)為硬件平臺(tái)，采用多種作業(yè)方案對(duì)鄭州市地鐵軌道交通線進(jìn)行帶狀圖測(cè)量，針對(duì)各方案的高程測(cè)量數(shù)據(jù)，分析GPS信號(hào)強(qiáng)度、檢校點(diǎn)密度、采集方式對(duì)點(diǎn)云高程精度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用往返掃描的作業(yè)方式，可有效地減小系統(tǒng)誤差，提供測(cè)量精度；當(dāng)GPS信號(hào)較弱時(shí)，采用往返掃描的作業(yè)方式，并適當(dāng)增加檢校點(diǎn)密度，也能達(dá)到軌道交通帶狀圖高程精度要求。

關(guān)鍵詞：精度分析；高程測(cè)量；車載LiDAR；軌道線帶狀圖；激光點(diǎn)云

軌道線帶狀地形圖是地鐵建設(shè)的重要基礎(chǔ)資料，它根據(jù)地鐵線路建設(shè)的需求將地物、地貌予以詳細(xì)的表達(dá)，相對(duì)于平面精度而言，高程精度比其他地形圖要求更為嚴(yán)格，傳統(tǒng)的高程測(cè)量費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且不容易達(dá)到精度要求。隨著我國(guó)大中型城市軌道交通建設(shè)快速推進(jìn)，如何快速、高精度地獲取軌道線帶狀圖成為測(cè)繪工作者迫切需要解決的技術(shù)難題。隨著三維激光掃描技術(shù)的不斷發(fā)展，車載LiDAR的逐漸成熟及精度的不斷提高，利用車載LiDAR解決軌道線帶狀地形圖高程測(cè)量成為可能[1-5]。研究移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在帶狀圖數(shù)據(jù)獲取中的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于減輕作業(yè)強(qiáng)度、提高作業(yè)效率、縮短作業(yè)周期具有重要現(xiàn)實(shí)意義[6-7]。

一、車載LiDAR在軌道線帶狀圖測(cè)量高程中應(yīng)用實(shí)踐

1. 車載LiDAR特點(diǎn)

本文以國(guó)產(chǎn)SSW車載LiDAR系統(tǒng)為硬件平臺(tái)，基于該系統(tǒng)進(jìn)行了軌道線帶狀圖高程測(cè)量試驗(yàn)。SSW車載LiDAR系統(tǒng)主要由GPS、IMU、三維激光掃描儀、面陣CCD相機(jī)、車輪里程計(jì)等核心傳感器和車載計(jì)算機(jī)構(gòu)成。其中，GPS及IMU系統(tǒng)獲取的原始數(shù)據(jù)稱為POS數(shù)據(jù)。POS數(shù)據(jù)是為系統(tǒng)提供絕對(duì)位置及姿態(tài)信息；車輪里程計(jì)提供各個(gè)時(shí)刻的行駛距離；位于頂部的6臺(tái)面陣CCD相機(jī)可以實(shí)現(xiàn)360°全景紋理獲取；激光掃描儀呈斜向上45°實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)掃描，最遠(yuǎn)測(cè)距可達(dá)300 m，標(biāo)稱測(cè)距精度2 cm/100 m，激光點(diǎn)掃描頻率50～200 kHz，點(diǎn)云間距最高可達(dá)1 cm，理論上可以滿足軌道線帶狀圖高程信息采集需求[8-9]。

2. 軌道線帶狀圖測(cè)量高程精度要求

城市軌道交通選址都在城市主要干道上，其規(guī)劃設(shè)計(jì)、工程施工對(duì)高程精度要求高于一般地形圖的需求，高程精度要求在5 cm以內(nèi)[10]。城市軌道線有其特殊性，越靠近軌道線中心附近的位置測(cè)量精度要求越高，常規(guī)儀器觀察費(fèi)時(shí)費(fèi)力，精度較難保證[11]。另外，城市主要干道上行人和車流量特別大，白天使用常規(guī)儀器觀測(cè)受到極大干擾，夜間不能進(jìn)行，實(shí)施效率非常低，而車載LiDAR系統(tǒng)不受光線限制，昏暗和夜間都不影響測(cè)量，另外夜間車輛、行人較少，測(cè)量作業(yè)效率得到大大提高。

3. 軌道線帶狀圖高程測(cè)量試驗(yàn)

為檢驗(yàn)不同因素對(duì)LiDAR點(diǎn)云精度的影響，采集分為A、B兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)段。A段建筑物、行樹(shù)較少，沒(méi)有遮擋，對(duì)GPS信號(hào)影響較弱；B段高層建筑物較多，預(yù)計(jì)部分地段GPS信號(hào)會(huì)受到遮擋。試驗(yàn)掃描區(qū)間A、B兩段均為城市交通主要道路，采用單向掃描和雙向往返掃描兩種方式，車速分別為5和25 km/h，控制點(diǎn)間距一種為系統(tǒng)建議間距3 km，另一種控制點(diǎn)間距為1 km，進(jìn)行16次的組合掃描試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)共布設(shè)600個(gè)檢查點(diǎn)，檢查點(diǎn)布設(shè)均勻，距離規(guī)劃掃描軌跡線最大距離120 m左右，檢查點(diǎn)的平面坐標(biāo)采用省CORS實(shí)測(cè)，高程測(cè)量方式采用四等水準(zhǔn)連測(cè)，以保證檢查點(diǎn)的點(diǎn)位精度。

4. 不同掃描方式的高程精度比較

數(shù)據(jù)采集后，將A、B兩段試驗(yàn)線路中的檢校點(diǎn)高程精度相對(duì)比，A段1 km間距檢校點(diǎn)和3 km間距檢校點(diǎn)精度對(duì)比結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1　A段1 km間隔檢校點(diǎn)高程精度對(duì)比圖

圖2　A段3 km間隔檢校點(diǎn)高程精度對(duì)比圖

從圖1中(a)、(b)的對(duì)比結(jié)果和圖2中(a)、(b)的對(duì)比結(jié)果得出，采取往返掃描的作業(yè)方式，能夠有效地提高作業(yè)精度。圖1—圖2的對(duì)比分析表明，在平穩(wěn)路段，車速對(duì)掃描精度的影響較小，但在顛簸路段(A42—A48)，適當(dāng)降低車速有利于采集精度的提高。

B段1 km間距檢校點(diǎn)和3 km間距檢校點(diǎn)精度對(duì)比結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3　B段1 km間隔檢校點(diǎn)高程精度統(tǒng)計(jì)圖

圖4　B段3 km間隔檢校點(diǎn)高程精度統(tǒng)計(jì)圖

通過(guò)圖3和圖4的對(duì)比分析可知，雖然采用往返掃描所采集的LiDAR點(diǎn)云高程精度高于單程掃描的點(diǎn)云精度，但B段道路中GPS信號(hào)遮擋較為嚴(yán)重，點(diǎn)云精度依然較差。由此可見(jiàn)，GPS信號(hào)的強(qiáng)弱對(duì)數(shù)據(jù)采集精度的影響較大。

對(duì)B段道路數(shù)據(jù)重新采集，在1 km一個(gè)檢校點(diǎn)情況下，適當(dāng)補(bǔ)增控制點(diǎn)數(shù)量，采用往返掃描的作業(yè)方式。其高程精度統(tǒng)計(jì)圖如圖5所示。

圖5　B段1 km間隔增加檢校點(diǎn)高程精度

圖5表明，當(dāng)GPS信號(hào)失鎖時(shí)，適當(dāng)增加控制點(diǎn)密度，并采用往返掃描的作業(yè)方法，可以有效地提高點(diǎn)云精度，達(dá)到城市軌道交通帶狀圖測(cè)量的精度要求。

5. 點(diǎn)云高程精度的影響因素分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，點(diǎn)云高程精度受GPS信號(hào)、控制點(diǎn)間距、掃描方式的影響較大，車速對(duì)點(diǎn)云精度的影響較小，其中GPS信號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)精度影響最大。若GPS信號(hào)失鎖時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，整體精度受影響較大，特別是控制點(diǎn)為3 km間隔時(shí)，高程精度不能滿足要求，若在GPS信號(hào)遮擋較為嚴(yán)重的區(qū)域增補(bǔ)控制點(diǎn)，可以提高點(diǎn)云高程精度，從而達(dá)到作業(yè)精度要求。

二、結(jié)論與應(yīng)用

1. 結(jié)論

1) 在GPS信號(hào)、車速、檢校點(diǎn)間距若干因素中，GPS信號(hào)的強(qiáng)弱決定著點(diǎn)云數(shù)據(jù)的整體質(zhì)量。

2) 在外業(yè)采集作業(yè)中，采用往返掃描的作業(yè)方式，可以有效減小系統(tǒng)誤差對(duì)點(diǎn)云精度的影響。

3) 適當(dāng)增加檢校點(diǎn)密度，可以提高點(diǎn)云精度；在道路不平整的路段，應(yīng)盡量降低車速，保持車身平穩(wěn)。

4) 在GPS信號(hào)較好的情況下，掃描半徑范圍(約150 m)內(nèi)的點(diǎn)云可以滿足精度要求；在GPS信號(hào)失鎖時(shí)，采取往返掃描的作業(yè)方式，并增加控制點(diǎn)密度，也能達(dá)到精度要求。

2. 應(yīng)用

在此次試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用SSW車載LiDAR系統(tǒng)在鄭州市地鐵2、3、5號(hào)線帶狀地形圖高程測(cè)量應(yīng)用上進(jìn)行了嘗試。作業(yè)模式采用雙向往返掃描，激光轉(zhuǎn)速3600轉(zhuǎn)/min，點(diǎn)頻200 kHz，平均車速20 km/h，每隔1 km設(shè)置一個(gè)對(duì)中桿，用來(lái)控制和檢校數(shù)據(jù)精度，整個(gè)帶狀圖測(cè)量項(xiàng)目往返掃描總計(jì)約150 km。每個(gè)項(xiàng)目外業(yè)掃描投入5人，4天完成數(shù)據(jù)獲取，內(nèi)業(yè)投入3人，1周完成數(shù)據(jù)處理采集。經(jīng)檢驗(yàn)，其高程精度完全滿足軌道線帶狀圖的精度要求。實(shí)踐表明，該方法取得比傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量更好的效果，提高了測(cè)圖精度和效率，完全能為地鐵規(guī)劃設(shè)計(jì)、征地拆遷、線路施工等提供可靠、高精度的地形圖資料。

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中圖分類號(hào)：P237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)03-0070-03

作者簡(jiǎn)介：韓尚(1975—)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)長(zhǎng)iDAR數(shù)據(jù)處理、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)、遙感應(yīng)用等。E-mail：78064318@qq.com

基金項(xiàng)目：福建省測(cè)繪地理信息科技創(chuàng)新基金(2014J03)

收稿日期：2015-12-01

引文格式： 韓尚. 車載LiDAR用于軌道線帶狀圖測(cè)量的高程精度分析[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(3)：70-72.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0089.