衛(wèi)星定位與激光掃描技術(shù)在路網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用

王凱樂，郭彩立，李維平，熊黃磊

(重慶市勘測院，重慶 401121)

1 引 言

城市道路建設(shè)前期，需要開展幾項(xiàng)基本測繪工作。一是在道路的初步設(shè)計(jì)階段，項(xiàng)目業(yè)主和設(shè)計(jì)單位需要測繪單位提供道路設(shè)計(jì)線路及兩側(cè)的 1∶500或 1∶1 000的大比例尺地形圖，作為基礎(chǔ)資料和選線依據(jù)；二是在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，道路中線確定后測量各中樁的高程，并在各樁點(diǎn)對應(yīng)位置進(jìn)行橫斷面測量，反映道路施工范圍及周邊的地物分布、地貌起伏情況；三是在施工階段，涉及土石方量的預(yù)算和結(jié)算，動(dòng)工前需要開展原始標(biāo)高測量，對圖面高程的密度和精確度要求比較高[1～3]。

傳統(tǒng)的作業(yè)方式是分階段進(jìn)行測繪工作，一般三次進(jìn)場作業(yè)，且每次進(jìn)場都需要首先進(jìn)行控制測量，再開展碎部測量。對于大部分項(xiàng)目來說，在建設(shè)項(xiàng)目落地后、工程施工開始前，地塊內(nèi)的變化率不太高，采用這種分階段作業(yè)的模式效率較低、費(fèi)用較高，而且由于作業(yè)手段、人員以及所用的設(shè)備不同，可能出現(xiàn)雖然地形地貌沒有變化但不同階段測量的數(shù)據(jù)相互矛盾的情況，不利后續(xù)于技術(shù)工作的開展和工程費(fèi)用的預(yù)結(jié)算。例如在大部分道路工程建設(shè)過程中，提供初步設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀地形圖、詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)需要的縱橫斷面圖、土石方預(yù)結(jié)算等工作所需的詳細(xì)本底數(shù)據(jù)其實(shí)是相同的，只是不同階段需要的信息側(cè)重點(diǎn)不同。如果能夠在短時(shí)間內(nèi)一次進(jìn)場獲取詳細(xì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、各階段根據(jù)需求提取成果數(shù)據(jù)，僅對變化的區(qū)域進(jìn)行小范圍補(bǔ)測，那么無論對于項(xiàng)目業(yè)主，還是測繪工作者，都可以節(jié)省大量人力物力。本文以重慶某路網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目為例，介紹了采用了衛(wèi)星定位與三維激光掃描技術(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)行“一測多用”，取得了良好效果。

2 GNSS RTK與三維激光掃描技術(shù)特點(diǎn)

目前，在除道路施工控制網(wǎng)建設(shè)以外，圖根控制測量通常采用GNSS RTK測量方式進(jìn)行，包括單基站RTK測量和網(wǎng)絡(luò)RTK測量兩種方法[4]。隨著全國絕大部分地區(qū)完成了CORS系統(tǒng)建設(shè)，網(wǎng)絡(luò)RTK測量已經(jīng)成為圖根控制測量的主流方法，在手簿或服務(wù)器上進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，可以實(shí)時(shí)獲取工程所需坐標(biāo)系統(tǒng)下的三維坐標(biāo)。該方法具有坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一、無須聯(lián)測高等級控制點(diǎn)、絕對精度較高且精度均勻、可實(shí)時(shí)作業(yè)、不受距離限制等優(yōu)點(diǎn)[5]。其主要缺點(diǎn)是在衛(wèi)星定位信號不佳的區(qū)域無法作業(yè)，而且作業(yè)模式是單點(diǎn)式測量，碎部測量時(shí)效率較低、對地物地貌反應(yīng)的細(xì)致度不夠，對一些相對精度要求高、對地物地貌表達(dá)要求高的工程中就顯力不從心。

而三維激光掃描技術(shù)則是利用激光測距原理，在水平方向、垂直方向全方位實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)、高精度陣列式掃描測量，速度快、信息量大、精度高，其非接觸式的作業(yè)方式保證采集過程安全。作業(yè)成果幾乎可以提供測區(qū)內(nèi)各個(gè)部位的詳細(xì)信息，且可以在掃描的同時(shí)根據(jù)需要選擇拍攝影像，將影像與點(diǎn)云匹配，更加直觀的反應(yīng)現(xiàn)狀，其作業(yè)效果可以達(dá)到一次測量、多次使用的目的，后續(xù)多個(gè)環(huán)節(jié)的成果可以在一次掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)上提取[6～8]。三維激光掃描測量信息全、相對精度高，但無法直接獲取測量對象的絕對坐標(biāo)。將GNSS RTK與三維激光掃描技術(shù)相結(jié)合，可以達(dá)到優(yōu)勢互補(bǔ)的效果。

3 技術(shù)路線

GNSS RTK與三維激光掃描技術(shù)相結(jié)合形成優(yōu)勢互補(bǔ)，在工程建設(shè)中能夠取得很好的效果。其技術(shù)路線和作業(yè)路線流程如圖1所示，主要包括項(xiàng)目準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)獲取、點(diǎn)云處理和成果整飾四個(gè)階段。

圖1 RTK與激光掃描技術(shù)相結(jié)合的現(xiàn)狀測量作業(yè)流程圖

(1)項(xiàng)目準(zhǔn)備

這一階段開展資料收集(已有影像圖、地形圖等)、現(xiàn)場踏勘、技術(shù)設(shè)計(jì)等工作。設(shè)計(jì)的方案中包括技術(shù)依據(jù)、人員設(shè)備選擇、測站點(diǎn)布設(shè)、技術(shù)方法和指標(biāo)、成果形式等內(nèi)容。其中，參照《地面三維激光掃描作業(yè)技術(shù)規(guī)程》(CH/Z 3017-2015)，結(jié)合道路工程測量需要，掃描設(shè)備的選取如表1所示。在等級選擇時(shí)，一般現(xiàn)狀測量可選擇三等，局部要求較高區(qū)域可選擇二等[9]。目前主流的三維激光掃描設(shè)備都能達(dá)到二等的要求。

地面三維激光掃描儀主要技術(shù)指標(biāo)(mm) 表1

(2)數(shù)據(jù)獲取

這一階段開展控制測量(采用GNSS RTK測量)和點(diǎn)云掃描等工作，并進(jìn)行現(xiàn)場影像數(shù)據(jù)的采集，如圖2所示。數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)進(jìn)行分區(qū)，避免漏測。為保證后續(xù)點(diǎn)云精確拼接，在控制點(diǎn)作為拼接條件的基礎(chǔ)上，還需要有共同的特征點(diǎn)作為拼接基準(zhǔn)，因此不同測站掃描的點(diǎn)云應(yīng)有一定重疊度，一般重疊度不低于30%。根據(jù)《地面三維激光掃描作業(yè)技術(shù)規(guī)程》(CH/Z 3017-2015)，結(jié)合設(shè)計(jì)、施工或工程管理需要，點(diǎn)云精度與技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

圖2 RTK與激光掃描同時(shí)作業(yè)

點(diǎn)云精度與技術(shù)指標(biāo) 表2

數(shù)據(jù)采集時(shí)，GNSS RTK控制測量和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)可同時(shí)進(jìn)行。采用衛(wèi)星定位和三維激光掃描同軸測繪，可以保證作業(yè)便捷、高精度的實(shí)施。

(3)點(diǎn)云處理

該階段主要包括點(diǎn)云的拼接與配準(zhǔn)、去噪、裁剪等工作。其中點(diǎn)云拼接主要是在點(diǎn)云處理軟件中進(jìn)行自動(dòng)拼接。在輸入控制點(diǎn)坐標(biāo)，選取匹配的公共特征點(diǎn)后，絕大部分拼接工作由點(diǎn)云處理軟件自動(dòng)完成，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行人工檢查和糾正。由于點(diǎn)云掃描是全方位掃描，冗余數(shù)據(jù)較多，還需進(jìn)行點(diǎn)云抽稀。對點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀應(yīng)符合：掃描對象表面曲率變化不大區(qū)域應(yīng)用均勻抽稀，抽稀后點(diǎn)云間距應(yīng)滿足制圖的要求；掃描對象表面曲率變化明顯區(qū)域應(yīng)采用保持特征的抽稀，根據(jù)法向量變化和曲率識別特征區(qū)域進(jìn)行抽稀[10]。三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)可使用圖像信息進(jìn)行彩色附著，轉(zhuǎn)換為彩色點(diǎn)云，著色后的點(diǎn)云在色彩上應(yīng)無明顯影像接縫。

(4)成果整飾

在完成點(diǎn)云處理后，就形成了高精度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)工程不同階段的需求可以在基礎(chǔ)點(diǎn)云上提取當(dāng)前階段需要的成果數(shù)據(jù)。在點(diǎn)云上提取特征線(主要工作由點(diǎn)云后處理軟件完成)，再進(jìn)行符號化、圖面整飾和必要的現(xiàn)場補(bǔ)測驗(yàn)核工作，就得到現(xiàn)狀地形圖?；邳c(diǎn)云生成DEM后，可以快速進(jìn)行批量斷面提取、格網(wǎng)高程點(diǎn)提取，從而獲得縱橫斷面圖、土石方量計(jì)算成果[11]。

4 應(yīng)用案例

4.1 項(xiàng)目概況

重慶市某區(qū)域進(jìn)行路網(wǎng)建設(shè)。該項(xiàng)目共有11條道路組成，建設(shè)范圍約 2.86 km2。測區(qū)內(nèi)原始地貌約占80%，建筑區(qū)約占20%，僅有1條已建成市政道路，大部分區(qū)域交通不便。擬建的11條道路有2條要與已建道路銜接。該項(xiàng)目為重點(diǎn)市政項(xiàng)目，工期較為緊張，委托單位要求現(xiàn)狀地形測量、道路定測和土石方原始標(biāo)高測量同時(shí)開展，其中土石方測量提交成果為 10 m×10 m原始地面標(biāo)高格網(wǎng)圖，如圖3所示。

圖3 某路網(wǎng)建設(shè)工程測區(qū)概況

4.2 數(shù)據(jù)采集及點(diǎn)云處理

基于項(xiàng)目工期、委托方技術(shù)需要和現(xiàn)場情況等綜合考慮，該項(xiàng)目初始方案是采用機(jī)載Lidar的方式進(jìn)行點(diǎn)云掃描，因測區(qū)為空域管制區(qū)，調(diào)整為“地面三維激光掃描+GNSS RTK”方式開展工作。共投入RIEGL VZ1000 1臺套、徠卡P50 1臺套、徠卡RTC360 3臺套、RTK設(shè)備5臺，5個(gè)作業(yè)小組，同時(shí)開展控制測量與點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集工作，在7天的時(shí)間里完成數(shù)據(jù)采集工作。

在每日數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，當(dāng)天晚上完成點(diǎn)云拼接和配準(zhǔn)工作，查找是否存在漏測和粗差。在測區(qū)全部數(shù)據(jù)采集完成后，進(jìn)行整體裁剪、去噪、抽稀、去植被等工作。后續(xù)點(diǎn)云處理、地形圖編繪、縱橫斷面圖繪制、土石方格網(wǎng)圖制作等工作在原始數(shù)據(jù)采集時(shí)也在同步進(jìn)行，在數(shù)據(jù)采集完成后，再用時(shí)5天，提交了全部成果。

4.3 項(xiàng)目成果

(1)現(xiàn)狀地形圖制作

在點(diǎn)云成果上，對工程地形圖需要的點(diǎn)、線信息進(jìn)行提取。對于空曠區(qū)而言，主要以地貌特征為主，因此獲取地貌特征線是關(guān)鍵。建成區(qū)地形中地物主要包括道路、房屋、電桿等，在地形圖中主要以點(diǎn)和線的形式表現(xiàn)。空曠區(qū)以特征線自動(dòng)提取為主，對半城區(qū)地形環(huán)境中的地物進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，主要是采用人工繪制和軟件提取相結(jié)合的方式進(jìn)行處理，如圖4所示。

圖4 基于點(diǎn)云的地形圖制作

(2)縱橫斷面圖制作

基于點(diǎn)云成果生成DEM后，導(dǎo)入設(shè)計(jì)道路的中線及放線樁位，并根據(jù)地形起伏和地物分布情況進(jìn)行加樁。根據(jù)設(shè)計(jì)所需橫斷面寬度，在EPS繪圖平臺采用自主研發(fā)的根據(jù)快速批量斷面數(shù)據(jù)[12]，如圖5所示。

圖5 縱橫斷面數(shù)據(jù)提取

(3)格網(wǎng)高程提取

在點(diǎn)云處理完成后，以.txt格式導(dǎo)入EPS繪圖平臺，點(diǎn)云密度較大，可按照設(shè)定的間距提取高程點(diǎn)，一般來說設(shè)定的抽稀后的高程點(diǎn)密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于方格網(wǎng)測量的密度。例如本項(xiàng)目土石方計(jì)算采用的是 10 m方格網(wǎng)，高程點(diǎn)采集的密度是每隔 7 m～13 m一個(gè)高程點(diǎn)(高差較大的區(qū)域需加密)，而此時(shí)在點(diǎn)云上提取的高程點(diǎn)間距設(shè)置為設(shè)為 2 m。根據(jù)提取后的高程點(diǎn)建立三角網(wǎng)，在設(shè)定方格網(wǎng)起點(diǎn)和方格網(wǎng)的生成方向后，即可在EPS繪圖平臺在自動(dòng)提取格網(wǎng)點(diǎn)高程，用于后續(xù)土石方計(jì)算。

4.4 應(yīng)用效果

經(jīng)測算，采用常規(guī)的GNSS RTK與全站儀結(jié)合進(jìn)行測量，共需137個(gè)工作組日，按投入5個(gè)作業(yè)組計(jì)算，大概需要作業(yè)27個(gè)工作日。而采用“地面三維激光掃描+GNSS RTK”的作業(yè)方式，在獲取高精度點(diǎn)云后，各個(gè)作業(yè)組在同一份基礎(chǔ)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上各自按要求制作成果，僅需12個(gè)工作日，工作效率成倍提高。

而且基于點(diǎn)云和影像提取數(shù)據(jù)，漏測、測錯(cuò)的概率大大減少。在項(xiàng)目成果驗(yàn)收時(shí)，設(shè)站抽檢標(biāo)準(zhǔn)圖9幅，平面和高程中誤差分別為 ±5.2 cm、 ±6.8 cm，均滿足規(guī)范和委托單位要求。

5 結(jié) 語

三維激光掃描技術(shù)以其“所見即所得”、精細(xì)還原現(xiàn)場的特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于文物保護(hù)、歷史建筑修繕、工業(yè)模具制作等方面。隨著硬件成本的降低，以及數(shù)據(jù)處理日漸智能化，目前在工程測量中也得到廣泛應(yīng)用。在本文所述項(xiàng)目中，在項(xiàng)目地塊無地形地貌變化的情況下，如果采用按常規(guī)作業(yè)方式需三次進(jìn)場測繪，作業(yè)周期長、投入成本高、精度不統(tǒng)一。采用三維激光掃描技術(shù)與GNSS RTK相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高精度絕對定位和相對定位的完美融合，在部分三維激光掃描儀使用效果較差的區(qū)域，采用GNSS RTK進(jìn)行局部小范圍補(bǔ)測，也最大限度地進(jìn)行了優(yōu)勢互補(bǔ)。一次外業(yè)采集，分階段提取所需測繪成果，真正實(shí)現(xiàn)了高精度、高效率、低成本的應(yīng)用效果。