SSW 車載激光掃描測量系統(tǒng)在帶狀高速公路竣工測繪中的應用.pdf

城市建筑研究探討URBANISM AND ARCHITECTURERESEARCHDISCUSSION 397 SSWSSW 車載激光掃描測量系統(tǒng)在帶狀高速公路竣工測繪中的車載激光掃描測量系統(tǒng)在帶狀高速公路竣工測繪中的 應用應用 The Application of SSW Vehicle-borne Laser Scanning Measurement System in Belt Highway Complete Surveying and Mapping 李建剛 Li Jiangang 摘 要 本文主要闡述了如何利用 SSW 車載激光掃描測量 系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)測繪作業(yè)方式，采集高速公路及兩側(cè) 50 m 范 圍內(nèi)的地貌、地物；通過專用軟件內(nèi)業(yè)成圖的過程，為高 新測繪技術(shù)在實際項目的應用中提供具體可行的參考案 例。 關(guān)鍵詞 SSW 車載激光掃描 激光測量 Abstract This article mainly elaborates how to use the SSW vehicle-borne laser scanning measuring system replace the traditional way of surveying and mapping work, and collects the landscape and terrain on both sides of highway and 50 m within the scope; Through the special process within the software industry into figure, which can provide concrete and feasible reference case for the application of high and new technology of surveying and mapping in the actual project. Keywords SSW, vehicle-borne laser scanning, laser measu- rement 引言 隨著世界的進步、科技的發(fā)展，各行各業(yè)高新 產(chǎn)品層出不窮，測繪行業(yè)也經(jīng)歷著巨大的變革，20 世紀 90 年代， 激光掃描測繪新技術(shù)為空間三維數(shù)據(jù) 信息獲取手段提供了新的技術(shù)可能性，隨著相關(guān)技 術(shù)水平集各方性能的進步，掃描測繪相關(guān)技術(shù)特別 是車載激光建模測量系統(tǒng)的發(fā)展，使得外業(yè)坐標相 關(guān)數(shù)據(jù)的獲得方式有了新的突破，從人工單點采集 到不間斷的自動獲取，更加促進了數(shù)據(jù)獲取的智能 化、自動化的實現(xiàn)。和傳統(tǒng)的測量技術(shù)比較而言， 其所具備的優(yōu)越性較為明顯，能夠在空間數(shù)據(jù)采集 及更新領(lǐng)域獲得廣泛的應用。車載激光的掃描測繪 系統(tǒng)主要依托于完善全面的公路網(wǎng)，以此覆蓋到絕 大部分項目的測繪區(qū)域, 具備效率高、測量快速等 特點，所以近年該技術(shù)在實際項目中的應用備受行 業(yè)關(guān)注，本文采用中國測繪科學院自主研發(fā)的 SSW 車載激光掃描測量系統(tǒng)，在介紹三維激光掃描技術(shù) 基本原理的基礎(chǔ)上，配以具體項目工程為例進行了 說明。 一、 SSW 車載激光掃描測量系統(tǒng)工作原理 首先，通過 GPS 進行所載車輛的定位，取得原 點大地坐標的精確數(shù)據(jù)，再通過 IMU 進行車載激光 掃描測量系統(tǒng)姿態(tài)測量，獲取大地坐標系的三維激 光掃描儀偏航角、滾動角及高低角；進而通過激光 掃描的方式對待測點做好逐點的測量掃描，獲得待 測點相對測繪基準而言的方位角、高低角及距離； 通過解算得到待測點的大地坐標數(shù)據(jù)。 SSW 車載激光掃描測量系統(tǒng)工作原理如圖 1 所 示。 圖 1 SSW 車載激光掃描測量系統(tǒng)工作原理圖 圖中，M 為待測點，坐標設(shè)為（X,Y,Z）。Xgps、 Ygps、Zgps 為激光掃描儀坐標，由 GPS 提供；當進 行激光掃描時，掃描儀與大地坐標軸夾角由 IMU 和 GPS 測得，分別得到姿態(tài)角度yaw、pitch、 roll，待測目標相對激光掃描儀坐標系統(tǒng)的坐標為 （Xlaser、Ylaser、Zlaser）,可以由激光掃描儀測 得的目標距離和目標視線角度計算得到。 目標點的位置算法公式如下： 式中： a1=cos yawcos roll +sin pitchsin roll；a2=sinyawcosrollcosyawsin pitchsin roll ； a3=cos pitchsin roll ； a4=-sin yawcos pitch ； a5=cos yawcos pitch;a6=sin pitch ； a7=-cos yawsin roll+sinyawsinpitchsinroll；a8=-sin yawsinroll-cosyawsinpitchcosroll； a9=cospitchcosroll 設(shè)目標相對于激光掃描儀視線角度分別為A(高 低 角) 、E （水 平 角 ）R(目 標 距 離) ， 則有 ： Xlaser=RsinAcosE；Ylaser=RsinAsinE；Zlaser= RcosE 二、 關(guān)鍵技術(shù) 1. 高速度、高分辨率激光掃描技術(shù) 激光掃描根據(jù)數(shù)據(jù)采樣密度與空間發(fā)布的相關(guān) 要求，采用光學掃描手段使得激光測量光束能夠投 射至地形與地貌表面。車載三維激光掃描測量最為 重要的特征在于高密度且快速準確進行采樣測量， 而高速度、高分辨率、高精度激光掃描是體現(xiàn)這項 特征的重要核心技術(shù)。 此次項目為了實現(xiàn)高密度的快速采樣，車載激 光測量系統(tǒng)具有高達 200 kHZ 的激光點頻率。 2. 高精度、超遠距目標激光掃描測距技術(shù) 測距信息是激光測繪的重要參數(shù)之一，目標的 坐標由角度、距離等信息計算得到。由于大氣擾動、 各目標表面不同的光學特征差異引起的信號波動、 相鄰目標距離的劇烈變化等等因素都在一定程度上 影響著激光測距的精度，在技術(shù)上往往采用窄脈沖 激光和恒比定時技術(shù)來削弱主回波前沿的抖動，此 次 SSW 車載激光測量系統(tǒng)是 360 度、射程 300 M 的 激光、0.01 度的 IMU 和 4080 可調(diào)的線頻。 三、 嘉（興）紹（興）高速公路竣工測量應用實例 1. 項目概況 嘉紹高速公路嘉興段北接乍嘉蘇高速互通，南 到嘉紹大橋，全長約 40 KM，其 2013 年 7 月開通， 距今測繪的時間不是很長，通過實地踏勘，公路兩 側(cè)沿線植被覆蓋程度一般，對此次激光測繪掃描不 會造成影響，故在客戶要求最快時間提交成果資料 的情況下，引入中國測繪科學院的 SSW 車載激光測 量系統(tǒng)，以便在最短時間內(nèi)響應客戶的要求。 2. 項目實施方案 （1）外業(yè)激光數(shù)據(jù)采集 項目全長約 40 KM，共布設(shè) 11 個 GPS D 級點和 45 個 GPS E 級點；先在下圖 2 中所標基站位置，架 設(shè)兩臺 Trimble R8 儀器按 10 赫茲的頻率進行長時 間靜態(tài)觀測，所得數(shù)據(jù)在內(nèi)業(yè)與 SSW 車載激光測量 系統(tǒng)掃描數(shù)據(jù)進行后差分。 圖 2 外業(yè)測繪工作示意圖 兩基站點開始工作后， 按下列順序給設(shè)備通電： 車載 GPS工作站IMU激光相機，經(jīng) 15 分鐘 的 GPS 狀態(tài)初始化，各設(shè)備參數(shù)回報正常后，車載 激光測量系統(tǒng)按 25 KM/小時，按原規(guī)劃路線開始掃 描、采集數(shù)據(jù)工作；車載激光測量系統(tǒng)先從高速公 路北端，沿路邊最右側(cè)應急車道以 25 KM/小時的速 度往南行駛，并記錄沿線因植被覆蓋、公路隔音玻 璃等建筑物遮擋產(chǎn)生的掃描盲區(qū)所在里程數(shù)，以便 后期對盲區(qū)有的放矢的進行補掃，提高工作效率； 在到達公路南端測繪范圍線后，找最近出入口按由 南到北的路線進行道路另一側(cè)的掃描工作；完成主 線兩側(cè)道路的掃描工作后，對沿線互通進行補掃作 業(yè)，達到激光數(shù)據(jù)的全路線覆蓋；等完成沿線所有 掃描工作后，車載激光測量系統(tǒng)找一開闊處進行為 期 15 分鐘的 GPS 狀態(tài)初始化， 各設(shè)備參數(shù)回報正常 后，按下列順序給設(shè)備關(guān)機：相機激光 IMU 工作站車載 GPS，而后將兩臺 R8 基站關(guān)機，整個 398 項目作業(yè)完成。此次項目，共花費兩天的時間完成 所有外業(yè)數(shù)據(jù)掃描工作。 （2）內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理 1）點云數(shù)據(jù)處理 平滑與去噪：測量系統(tǒng)在外業(yè)進行數(shù)據(jù)掃描 采集時，所得的點云數(shù)據(jù)因受到環(huán)境等因素的影響 而出現(xiàn)噪聲點，還有可能產(chǎn)生不屬于掃描目標本身 的冗余數(shù)據(jù)，對后期內(nèi)業(yè)成圖造成大的影響，需要 對點云數(shù)據(jù)進行去噪處理。 點云數(shù)據(jù)的精簡：車載激光測量系統(tǒng)雖然具 有測量速度快、精度高等優(yōu)點，但也存在非連續(xù)覆 蓋（基于一定的采樣間距采樣）和數(shù)據(jù)量大等缺點， 尤其是其龐大的數(shù)據(jù)量，本項目 40 KM，兩天的點云 總量達到了驚人的 146 G，光是坐標解算就花了 1 天 時間，這么龐大的數(shù)據(jù)量，給后期的數(shù)據(jù)解算處理、 傳輸和進一步應用都造成了極大的障礙。它的冗余 性主要表現(xiàn)在下面兩個方面：一是含有較多的重復 的數(shù)據(jù)，同一位置含有多次掃描的重復數(shù)據(jù)；二是 含有較多的不需要的數(shù)據(jù)，如建筑物我們只需要提 取墻體邊緣的點云數(shù)據(jù)就足夠了，而不需要墻面中 間部分的；所以對點云數(shù)據(jù)進行一定的精簡是十分 必要的。 點云解算：首先使用激光掃描儀配套后處理 軟件 SS-LiPre_RAII，將原始數(shù)據(jù)*.imp 處理成 *.bplr 和*.upt；而后將解算完成的點云數(shù)據(jù)導入 到 swDY 軟件中進行統(tǒng)一的庫管理， 保證每一個工程 都有唯一的數(shù)據(jù)庫（*.swm）。 3. 內(nèi)業(yè)成圖 在 swDY 軟件中，根據(jù)點云數(shù)據(jù)結(jié)合影像，對地 形、 地貌進行判別， 輸出相關(guān)矢量數(shù)據(jù) （DXF 文件） ； 最后在 CASS 9.0 軟件中對整個圖形進行修飾、編制 1:1000CAD 地形圖。 4. 成果內(nèi)容 （1）點云數(shù)據(jù) 點云數(shù)據(jù)是最原始的測繪數(shù)據(jù)，是現(xiàn)勢地物真 實尺寸的原始反映，是對檔案資料最原始、最完整 和最精確的保存手段，其中有很多的信息并未被充 分使用，如公路沿線廣告牌、指示牌、路燈、建筑 物等的高度數(shù)據(jù)，因此，點云數(shù)據(jù)所保存的信息， 可以說是空間物體原始面貌最真實的反映。常規(guī)的 測量手段，無法在同等時間內(nèi)獲取相當量的空間信 息，同時在技術(shù)上也是不太現(xiàn)實的。所以，點云數(shù) 據(jù)是一種最精確的保存檔案，可以為客戶提供后續(xù) 的一些數(shù)據(jù)服務。 （2）線劃圖數(shù)據(jù) 最終提交的成果數(shù)據(jù)就是我們用傳統(tǒng)作業(yè)方式 提交的 1:1000CAD 成果，不進行分幅整飾，按整條 線路出最終圖紙，以便后期的界址蓋章確認工作。 5. 誤差分析 因為是第一次使用三維激光掃描技術(shù)來進行傳 統(tǒng)作業(yè)，為了確保成果質(zhì)量，將最終提交的線劃圖 成果數(shù)據(jù)與全站儀實測的現(xiàn)狀地形數(shù)據(jù)進行核查， 共采集了靠近公路兩側(cè)具有代表性的 160 個地物點 （包括房角、圍墻角、鐵絲網(wǎng)、涵洞等）。通過核 查結(jié)果計算求得，平面中誤差為 18 cm，高程中誤差 為 13 cm；從核查結(jié)果可以看出絕大部分誤差值集中 在 8 cm 左右，部分地形地貌點（水渠、部分鐵絲網(wǎng)、 涵洞）的差值較大，造成了中誤差值偏大，但所有 數(shù)據(jù)均未超規(guī)定中誤差限值30 cm，由此可以說明 將激光掃描測繪技術(shù)應用于本次帶狀道路的竣工測 繪中是完全可行的，采集的數(shù)據(jù)也是精確可靠的。 6. 體會 雖然三維激光掃描技術(shù)現(xiàn)在在具體應用中還處 于起步階段，但通過具體項目的實施，使我們對激 光掃描技術(shù)進行了深入的接觸和了解，也深刻體會 到它帶來的巨大變革：全新方便快捷的數(shù)據(jù)采集方 式、海量的點云數(shù)據(jù)，但也還有很多地方需要慢慢 完善：點云數(shù)據(jù)量太大，對電腦要求高、點云處理 軟件對地形地物特征點不能自動提取、對遮擋盲區(qū) 還沒有很好的解決方法、車載系統(tǒng)的作業(yè)范圍受基 站 10 KM 范圍的約束、價格昂貴，不易普及、暫沒 有相對應的規(guī)范和標準；相信在不久的將來，以上 難題都能迎刃而解，做到大范圍地推廣應用。 參考文獻 1李志鵬等.基于三維激光掃描的大比例尺地形測 繪方法研究J.武漢：長江出版社,2014. 2梅文勝等.基于地面三維激光掃描的精細地形測 繪J.測繪通報,2010(1)：53-56. 3李敏.三維激光掃描技術(shù)在古建筑測繪中的應用 J.北京測繪,2014(1)：111-114. （作者單位：浙江省測繪大隊，杭州 310030） （上接第 395 頁） 或挺拔剛健，或雍容華貴，或柔和纖秀，或端莊大 方，體現(xiàn)了生態(tài)、形態(tài)和情態(tài)三位一體的有機結(jié)合， 是寶貴的人文旅游資源，具有很高的旅游價值。徜 徉其間，游客可以在欣賞仿古建筑與自然環(huán)境融為 一體的美景的同時，體驗各地生活的情趣，感受各 地迥異的傳統(tǒng)文化，觸摸先人的建筑技藝和智慧。 無論是觀賞游、體驗游還是學術(shù)考察游，仿古建筑 都顯示出巨大的旅游價值。 張家界土家風情園以民俗旅游作為支撐其發(fā)展 的力量，開園以來接待了以國務院前總理朱镕基為 代表的 30 多位黨和國家領(lǐng)導人，中央電視臺、省 級電視臺多次對風情園進行報道， 2003 年被列入了 國家 4A 級景區(qū)?，F(xiàn)每年接待中外游客 60 多萬人 次，構(gòu)成了“山上觀風景、山下看風情”行程精品 線路。 2. 文化價值 建筑是文化的載體。仿古建筑實際上是建筑師 在新時代追尋和發(fā)揚本國建筑文化過程中的一種探 索，它也是建筑的一種形式。由于文化的差異及自 然環(huán)境的不同，中國的民族建筑有著千姿百態(tài)的景 觀特征，亦即各地的建筑都有著自已獨特的景觀意 象和文化表征。然而，或因年代久遠，或因保護不 得當， 許多珍貴的古建筑已經(jīng)損毀破壞或不復存在。 為了向世人展現(xiàn)這些地區(qū)當年的建筑藝術(shù)成就和迥 異的風土民俗，確立當?shù)亟ㄖv史的文化元素，就 有必要利用仿古建筑來模擬重建。仿古建筑大都建 在有一定歷史的地段。它通過對傳統(tǒng)建筑具象或抽 象的深入模仿，能在一定程度上再現(xiàn)傳統(tǒng)建筑的風 貌，具有一定的文化底蘊，展現(xiàn)出較強的文化價值。 張家界土家風情園向人們展示著湘西歷史上近 兩千年的土司文化，對于已消失的土司文化提供了 獨特的見證。園內(nèi)仿古建筑群采用原材料、原工藝、 原式樣地進行整體性吊腳樓風格的建設(shè)。如園內(nèi)的 九重天世襲堂，整棟樓無一根鐵釘，建筑造新如舊， 輝映著土家人輝煌的過去， 承載著豐富的文化信息。 3. 藝術(shù)價值 仿古建筑的藝術(shù)價值主要表現(xiàn)在造型的優(yōu)美、 制作工藝的精巧和色彩的運用等幾個方面。它能反 映這一地區(qū)建筑產(chǎn)生時的時代藝術(shù)風格、工藝技術(shù) 水平、審美的觀點，同時還能反映出當時的社會政 治經(jīng)濟等的情況。仿古建筑也是當今藝術(shù)大師、勞 動人民血汗和智慧的結(jié)晶， 其中有許多寶貴的經(jīng)驗， 值得參考借鑒。 張家界土家風情園收藏了各種木雕花窗 308 個、木雕花板 432 塊、雕花門 318 塊、石雕柱礎(chǔ) 999 個、紅砂石欄桿 5000 余米。可以說，在土家風情 園內(nèi)處處可領(lǐng)略土家建筑雕刻藝術(shù)的成就。 4. 歷史價值 我國的古建筑歷史悠久， 文化和歷史底蘊深厚。 它們對研究中國的歷史， 以及各個時代的社會形態(tài)、 政治、思想、文學而言是不可多得的史料，特別是 對歷史，有重要的考證研究價值。而仿古建筑是今 人對這些古建筑的模擬，在一定程度上也因模擬的 主體而產(chǎn)生附加的歷史價值。 張家界土家風情園內(nèi)的土家歷史文化展示區(qū)和 民居文化展示區(qū)，可對土家族近五千年的歷史文化 乃至農(nóng)耕時代的原始勞作與生活情形系統(tǒng)了解和全 文化解讀。 五、 國內(nèi)仿古建筑建設(shè)存在的問題 1. 盲目建設(shè) 近年來，由于一些條件較成熟的古城鎮(zhèn)通過旅 游開發(fā)獲得了巨大的利潤，其他一些稍有條件的城 市也紛紛行動起來，提出要把發(fā)展旅游業(yè)作為本地 經(jīng)濟發(fā)展的重點產(chǎn)業(yè)。在這股旅游經(jīng)濟利益的驅(qū)使 下，不少地方政府大興土木、勞民傷財，建筑了一 大批仿古建筑。有些仿古建筑在建筑過程