移動激光掃描技術(shù)結(jié)合天寶Realworks在公路測設(shè)中的應(yīng)用

武少豐，杜洪濤

(1. 河南中原公路勘察設(shè)計有限公司，河南 濮陽 457000； 2. 北京麥格天渱科技發(fā)展有限公司，北京 100043)

三維激光掃描測量系統(tǒng)也稱為三維激光成圖系統(tǒng)，主要由三維激光掃描儀和系統(tǒng)軟件組成，其工作目標(biāo)就是快速、方便、準(zhǔn)確地獲取近距離靜態(tài)位圖的空間三維模型，以便對模型進行分析和處理。激光掃描儀所獲得的數(shù)據(jù)是由離散的三維點構(gòu)成的點云。點云的每一個像素包含一個距離值和角度值，三維激光掃描技術(shù)獲取的點云數(shù)據(jù)，可以達(dá)到毫米級的采樣間隔，從而使激光掃描技術(shù)可以用于工程測量、建筑測量、數(shù)字城市等領(lǐng)域。隨著科技的發(fā)展，地面靜態(tài)三維激光掃描技術(shù)日漸趨于成熟，大大提高了測量數(shù)據(jù)的完整性和成果應(yīng)用的豐富性。本文主要涉及采用ZEB-REVO移動掃描儀、高精度SLAM移動掃描系統(tǒng)、點云編輯與成果系統(tǒng)、TBC通道模塊進行道路設(shè)計。

1 系統(tǒng)組成

1.1 高精度SLAM移動掃描系統(tǒng)

同步定位與制圖(simultaneous localisation and mapping,SLAM)技術(shù)能夠通過對周圍世界的探測，逐步描繪出環(huán)境地圖，并確定自身所處的位置，本項目所用設(shè)備為ZEB-REVO移動掃描儀，硬件由電源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)控制與存儲系統(tǒng)、激光器和IMU慣性導(dǎo)航單元組成。

1.2 點云編輯與成果生成系統(tǒng)

點云編輯與成果生成系統(tǒng)主要為Trimble RealWorks軟件，可以實現(xiàn)對GeoSLAM所生成點云的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、編輯取樣，獲得DEM高程模型等數(shù)字化成果。

1.3 TBC通道模塊進行道路設(shè)計

運用TBC通道模板創(chuàng)建道路水平定線，創(chuàng)建定線時TBC提供多種方式：導(dǎo)入設(shè)計CAD數(shù)據(jù)、在TBC中繪制一條三維折線、手動輸入定線參數(shù)等。道路斷面模板里設(shè)置路面、路肩、邊坡、排水溝、護坡等道路設(shè)計要素，進而快速、準(zhǔn)確地完成道路設(shè)計。

2 項目應(yīng)用分析

2.1 測區(qū)概況

G106至S209公路改建工程起點位于G106線上，終止S209線上。建設(shè)里程3.625 km；其中新建段0.915 km，加寬改建段2.710 km。該道路主要服務(wù)于沿線各村的生產(chǎn)、生活需要。現(xiàn)有道路修建等級較低，路面結(jié)構(gòu)較為薄弱，隨著沿線經(jīng)濟發(fā)展、交通量急劇增加，現(xiàn)有路面寬度已不能滿足車輛通行的需要，致使道路通行能力降低。近年來，經(jīng)濟發(fā)展同樣也帶動交通的發(fā)展，為了適應(yīng)經(jīng)濟發(fā)展，服務(wù)沿線農(nóng)業(yè)和農(nóng)村建設(shè)，擬對本道路進行改擴建。

項目測區(qū)為一段需要單側(cè)擴建的鄉(xiāng)村水泥路，原始路面寬度為5 m，現(xiàn)需要將道路右側(cè)(南側(cè))加寬至9 m。擴建路段全長2710 m，沿途跨過4條旱河，在設(shè)計擴建方案時，需要考慮沿途橋梁與涵洞，進行三維激光掃描，可以生成高精度實景點云模型進行三維分析。

2.2 三維激光掃描外業(yè)流程

2.2.1 控制點布設(shè)

本項目共做兩組測試，第1組測試每400 m做一次閉合掃描，將測區(qū)分為4個區(qū)段，共布設(shè)5個控制點，如圖1所示；第2組測試每200 m做一次閉合掃描，將測區(qū)分為8個區(qū)段，共布設(shè)9個控制點，如圖2所示。

為了提高控制點布設(shè)效率，現(xiàn)場使用定制靶球，將對中桿、標(biāo)靶球和GPS接收機集成于一體，只需要準(zhǔn)備兩套即可。在單段掃描時將兩套靶球分別放置在首尾處。當(dāng)?shù)谝粋€區(qū)段掃描結(jié)束后，將首端處的靶球轉(zhuǎn)移到下一段的末端，而尾端處的靶球作為下一區(qū)段的首段控制點保持不動。通過對GPS坐標(biāo)的計算，可以得到靶球的球心坐標(biāo)，如圖3所示。

圖1 測試1分段掃描示意圖

2.2.2 區(qū)段掃描

由于SLAM算法的本質(zhì)是特征匹配，為了獲得精度更高的點云數(shù)據(jù)，在外業(yè)掃描時需要盡可能地形成閉合環(huán)。同時兩次區(qū)段掃描需要有足夠的重疊部分。本次項目的兩次測試都采用了“8”型掃描路線，以下為兩種比較好的策略，如圖4、圖5所示。

圖5 策略2：區(qū)段中心為初始化點

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 點云提取

數(shù)據(jù)處理首先使用該系統(tǒng)配置軟件將SLAM數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)融合，生成通用格式的點云數(shù)據(jù)。在處理時需要對軟件的參數(shù)進行調(diào)節(jié)。

2.3.2 點云拼接

點云拼接是依據(jù)重疊部分的點云特征將兩段數(shù)據(jù)拼接起來，這一步操作時應(yīng)將縮放參數(shù)定義為1。即使兩個掃描區(qū)段在重疊區(qū)域獲取的點云存在形態(tài)差異也應(yīng)原狀保留，作為后期精度分析的參考因子。

GeoSLAM自帶的慣導(dǎo)單元能夠保證數(shù)據(jù)成果的高程軸正確，因此在拼接之前要在TRW中將所有點云文件設(shè)置為“已整平測站”，這樣能保證兩段數(shù)據(jù)拼接時高程軸鎖定，被移動的點云參考基準(zhǔn)點云做4參數(shù)變換(3個平移量，一個繞高程軸的旋轉(zhuǎn)量)，相對于不鎖定高程軸時的6參數(shù)變化來說成果精度更高。

2.3.3 地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換是通過對現(xiàn)場的標(biāo)靶球賦予絕對坐標(biāo)，實現(xiàn)點云成果的坐標(biāo)定義。先將GPS的坐標(biāo)信息通過高程值改正轉(zhuǎn)換成靶球中心坐標(biāo)，直接導(dǎo)入TRW點云處理軟件中。在TRW軟件中提取靶球，并為其選擇對應(yīng)的控制點。本項目所有靶球目標(biāo)均在同一款軟件(TRW)中依據(jù)同一款硬件設(shè)備(GeoSLAM)獲取的點云來擬合，兩個230 mm直徑的靶球制作工藝嚴(yán)謹(jǐn)，擬合誤差均小于1 cm，較為穩(wěn)定。因此認(rèn)為靶球的擬合誤差為系統(tǒng)誤差，本次分析地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換殘差時，對靶球擬合精度忽略不計。

表1、表2為兩次測試對應(yīng)的地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)化殘差。殘差值是在地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)化時，控制點實際位置與點云中靶球位置的斜距。對數(shù)據(jù)精度評價有著很大的參考意義。通過控制點轉(zhuǎn)換殘差表可以得出，當(dāng)區(qū)段為200 m時，使用GeoSLAM獲取的點云精度比區(qū)段為400 m時更高。

表1 測試1地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換控制點殘差

表2 測試2地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換控制點殘差

2.3.4 精度驗證

本項目測區(qū)前期已經(jīng)使用無人機航測技術(shù)手段獲取了正射影像，并制作了CAD公路規(guī)劃設(shè)計圖，可以直接使用已有數(shù)字成果在TRW中對GeoSLAM點云成果進行精度檢核。

2.4 數(shù)據(jù)成果

2.4.1 點云三維實景數(shù)據(jù)

在掃描道路后，通過TRW點云處理軟件對獲取的點云成果數(shù)據(jù)將項目現(xiàn)場實景復(fù)制到電腦中，可以更好地結(jié)合實景進行道路規(guī)劃、設(shè)計。

2.4.2 基于實景點云的統(tǒng)計分析

基于實景點云可以進行橋涵統(tǒng)計、電力設(shè)施統(tǒng)計、拆遷統(tǒng)計等公路改建前期調(diào)研工作。

2.4.3 DEM生成

使用TRW點云處理軟件快速將點云中的植被與建筑剔除，獲取地面點云。完成點云濾波后，直接獲取DEM高程點云，可以在TRW中將其抽稀后輸出為DWG高程點，也可以直接生成高程網(wǎng)格模型，并進一步生成道路橫、縱斷面、填挖方報告、等高線等延伸應(yīng)用。

2.4.4 道路設(shè)計及放樣

結(jié)合無人機航拍正射圖并利用道路專用設(shè)計軟件進行道路的選線，并生成路線曲線要素，運用TBC通道模板創(chuàng)建道路水平定線并輸入道路曲線要素，如圖6所示。

圖6 道路水平定線

運用TBC通道模板創(chuàng)建豎直定線并輸入道路曲線要素，如圖7所示。

圖7 道路豎直定線

運用TBC通道模板創(chuàng)建超高段模型，如圖8所示。

圖8 超高段參數(shù)輸入

利用TBC通道模塊輸入路線曲線要素后并導(dǎo)出RXL格式的道路放樣文件，將RXL格式的道路文件導(dǎo)入TSC3手簿進行外業(yè)放樣工作，如圖9所示。

圖9 導(dǎo)出RXL道路放樣數(shù)據(jù)

3 結(jié) 語

使用GeoSLAM移動測量設(shè)備，同時搭配TRW、TBC等內(nèi)業(yè)點云編輯與處理系統(tǒng)，提供了豐富的數(shù)據(jù)成果，能夠滿足公路測設(shè)中的外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理以及外業(yè)道路放樣的需要?？蓪⒉贿M行任何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的設(shè)計數(shù)據(jù)無縫導(dǎo)入外業(yè)設(shè)備，進行交樁、放樣等，可使整個道路設(shè)計簡單、快速、準(zhǔn)確，值得探索推廣。