SSW 車(chē)載激光掃描測(cè)量系統(tǒng)在帶狀高速公路竣工測(cè)繪中的應(yīng)用.pdf

城市建筑研究探討URBANISM AND ARCHITECTURERESEARCHDISCUSSION 397 SSWSSW 車(chē)載激光掃描測(cè)量系統(tǒng)在帶狀高速公路竣工測(cè)繪中的車(chē)載激光掃描測(cè)量系統(tǒng)在帶狀高速公路竣工測(cè)繪中的 應(yīng)用應(yīng)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(chē)載激光掃描測(cè)量 系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)測(cè)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(guò)專(zhuān)用軟件內(nèi)業(yè)成圖的過(guò)程，為高 新測(cè)繪技術(shù)在實(shí)際項(xiàng)目的應(yīng)用中提供具體可行的參考案 例。 關(guān)鍵詞 SSW 車(chē)載激光掃描 激光測(cè)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(jìn)步、科技的發(fā)展，各行各業(yè)高新 產(chǎn)品層出不窮，測(cè)繪行業(yè)也經(jīng)歷著巨大的變革，20 世紀(jì) 90 年代， 激光掃描測(cè)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(jìn)步，掃描測(cè)繪相關(guān)技術(shù)特別 是車(chē)載激光建模測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展，使得外業(yè)坐標(biāo)相 關(guān)數(shù)據(jù)的獲得方式有了新的突破，從人工單點(diǎn)采集 到不間斷的自動(dòng)獲取，更加促進(jìn)了數(shù)據(jù)獲取的智能 化、自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)。和傳統(tǒng)的測(cè)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(yīng)用。車(chē)載激光的掃描測(cè)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(xiàng)目的測(cè)繪區(qū)域, 具備效率高、測(cè)量快速等 特點(diǎn)，所以近年該技術(shù)在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用備受行 業(yè)關(guān)注，本文采用中國(guó)測(cè)繪科學(xué)院自主研發(fā)的 SSW 車(chē)載激光掃描測(cè)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(xiàng)目工程為例進(jìn)行了 說(shuō)明。 一、 SSW 車(chē)載激光掃描測(cè)量系統(tǒng)工作原理 首先，通過(guò) GPS 進(jìn)行所載車(chē)輛的定位，取得原 點(diǎn)大地坐標(biāo)的精確數(shù)據(jù)，再通過(guò) IMU 進(jìn)行車(chē)載激光 掃描測(cè)量系統(tǒng)姿態(tài)測(cè)量，獲取大地坐標(biāo)系的三維激 光掃描儀偏航角、滾動(dòng)角及高低角；進(jìn)而通過(guò)激光 掃描的方式對(duì)待測(cè)點(diǎn)做好逐點(diǎn)的測(cè)量掃描，獲得待 測(cè)點(diǎn)相對(duì)測(cè)繪基準(zhǔn)而言的方位角、高低角及距離； 通過(guò)解算得到待測(cè)點(diǎn)的大地坐標(biāo)數(shù)據(jù)。 SSW 車(chē)載激光掃描測(cè)量系統(tǒng)工作原理如圖 1 所 示。 圖 1 SSW 車(chē)載激光掃描測(cè)量系統(tǒng)工作原理圖 圖中，M 為待測(cè)點(diǎn)，坐標(biāo)設(shè)為（X,Y,Z）。Xgps、 Ygps、Zgps 為激光掃描儀坐標(biāo)，由 GPS 提供；當(dāng)進(jìn) 行激光掃描時(shí)，掃描儀與大地坐標(biāo)軸夾角由 IMU 和 GPS 測(cè)得，分別得到姿態(tài)角度yaw、pitch、 roll，待測(cè)目標(biāo)相對(duì)激光掃描儀坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)為 （Xlaser、Ylaser、Zlaser）,可以由激光掃描儀測(cè) 得的目標(biāo)距離和目標(biāo)視線角度計(jì)算得到。 目標(biāo)點(diǎn)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(biāo)相對(duì)于激光掃描儀視線角度分別為A(高 低 角) 、E （水 平 角 ）R(目 標(biāo) 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(xué)掃描手段使得激光測(cè)量光束能夠投 射至地形與地貌表面。車(chē)載三維激光掃描測(cè)量最為 重要的特征在于高密度且快速準(zhǔn)確進(jìn)行采樣測(cè)量， 而高速度、高分辨率、高精度激光掃描是體現(xiàn)這項(xiàng) 特征的重要核心技術(shù)。 此次項(xiàng)目為了實(shí)現(xiàn)高密度的快速采樣，車(chē)載激 光測(cè)量系統(tǒng)具有高達(dá) 200 kHZ 的激光點(diǎn)頻率。 2. 高精度、超遠(yuǎn)距目標(biāo)激光掃描測(cè)距技術(shù) 測(cè)距信息是激光測(cè)繪的重要參數(shù)之一，目標(biāo)的 坐標(biāo)由角度、距離等信息計(jì)算得到。由于大氣擾動(dòng)、 各目標(biāo)表面不同的光學(xué)特征差異引起的信號(hào)波動(dòng)、 相鄰目標(biāo)距離的劇烈變化等等因素都在一定程度上 影響著激光測(cè)距的精度，在技術(shù)上往往采用窄脈沖 激光和恒比定時(shí)技術(shù)來(lái)削弱主回波前沿的抖動(dòng)，此 次 SSW 車(chē)載激光測(cè)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(cè)量應(yīng)用實(shí)例 1. 項(xiàng)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(zhǎng)約 40 KM，其 2013 年 7 月開(kāi)通， 距今測(cè)繪的時(shí)間不是很長(zhǎng)，通過(guò)實(shí)地踏勘，公路兩 側(cè)沿線植被覆蓋程度一般，對(duì)此次激光測(cè)繪掃描不 會(huì)造成影響，故在客戶(hù)要求最快時(shí)間提交成果資料 的情況下，引入中國(guó)測(cè)繪科學(xué)院的 SSW 車(chē)載激光測(cè) 量系統(tǒng)，以便在最短時(shí)間內(nèi)響應(yīng)客戶(hù)的要求。 2. 項(xiàng)目實(shí)施方案 （1）外業(yè)激光數(shù)據(jù)采集 項(xiàng)目全長(zhǎng)約 40 KM，共布設(shè) 11 個(gè) GPS D 級(jí)點(diǎn)和 45 個(gè) GPS E 級(jí)點(diǎn)；先在下圖 2 中所標(biāo)基站位置，架 設(shè)兩臺(tái) Trimble R8 儀器按 10 赫茲的頻率進(jìn)行長(zhǎng)時(shí) 間靜態(tài)觀測(cè)，所得數(shù)據(jù)在內(nèi)業(yè)與 SSW 車(chē)載激光測(cè)量 系統(tǒng)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行后差分。 圖 2 外業(yè)測(cè)繪工作示意圖 兩基站點(diǎn)開(kāi)始工作后， 按下列順序給設(shè)備通電： 車(chē)載 GPS工作站IMU激光相機(jī)，經(jīng) 15 分鐘 的 GPS 狀態(tài)初始化，各設(shè)備參數(shù)回報(bào)正常后，車(chē)載 激光測(cè)量系統(tǒng)按 25 KM/小時(shí)，按原規(guī)劃路線開(kāi)始掃 描、采集數(shù)據(jù)工作；車(chē)載激光測(cè)量系統(tǒng)先從高速公 路北端，沿路邊最右側(cè)應(yīng)急車(chē)道以 25 KM/小時(shí)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(duì)盲區(qū)有的放矢的進(jìn)行補(bǔ)掃，提高工作效率； 在到達(dá)公路南端測(cè)繪范圍線后，找最近出入口按由 南到北的路線進(jìn)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(duì)沿線互通進(jìn)行補(bǔ)掃作 業(yè)，達(dá)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(chē)載激光測(cè)量系統(tǒng)找一開(kāi)闊處進(jìn)行為 期 15 分鐘的 GPS 狀態(tài)初始化， 各設(shè)備參數(shù)回報(bào)正常 后，按下列順序給設(shè)備關(guān)機(jī)：相機(jī)激光 IMU 工作站車(chē)載 GPS，而后將兩臺(tái) R8 基站關(guān)機(jī)，整個(gè) 398 項(xiàng)目作業(yè)完成。此次項(xiàng)目，共花費(fèi)兩天的時(shí)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(diǎn)云數(shù)據(jù)處理 平滑與去噪：測(cè)量系統(tǒng)在外業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描 采集時(shí)，所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)因受到環(huán)境等因素的影響 而出現(xiàn)噪聲點(diǎn)，還有可能產(chǎn)生不屬于掃描目標(biāo)本身 的冗余數(shù)據(jù)，對(duì)后期內(nèi)業(yè)成圖造成大的影響，需要 對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理。 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)：車(chē)載激光測(cè)量系統(tǒng)雖然具 有測(cè)量速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)， 尤其是其龐大的數(shù)據(jù)量，本項(xiàng)目 40 KM，兩天的點(diǎn)云 總量達(dá)到了驚人的 146 G，光是坐標(biāo)解算就花了 1 天 時(shí)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(jìn)一步應(yīng)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(gè)方面：一是含有較多的重復(fù) 的數(shù)據(jù)，同一位置含有多次掃描的重復(fù)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(diǎn)云數(shù)據(jù)就足夠了，而不需要墻面中 間部分的；所以對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的精簡(jiǎn)是十分 必要的。 點(diǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入 到 swDY 軟件中進(jìn)行統(tǒng)一的庫(kù)管理， 保證每一個(gè)工程 都有唯一的數(shù)據(jù)庫(kù)（*.swm）。 3. 內(nèi)業(yè)成圖 在 swDY 軟件中，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)合影像，對(duì)地 形、 地貌進(jìn)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(duì)整個(gè)圖形進(jìn)行修飾、編制 1:1000CAD 地形圖。 4. 成果內(nèi)容 （1）點(diǎn)云數(shù)據(jù) 點(diǎn)云數(shù)據(jù)是最原始的測(cè)繪數(shù)據(jù)，是現(xiàn)勢(shì)地物真 實(shí)尺寸的原始反映，是對(duì)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(diǎn)云數(shù)據(jù)所保存的信息， 可以說(shuō)是空間物體原始面貌最真實(shí)的反映。常規(guī)的 測(cè)量手段，無(wú)法在同等時(shí)間內(nèi)獲取相當(dāng)量的空間信 息，同時(shí)在技術(shù)上也是不太現(xiàn)實(shí)的。所以，點(diǎn)云數(shù) 據(jù)是一種最精確的保存檔案，可以為客戶(hù)提供后續(xù) 的一些數(shù)據(jù)服務(wù)。 （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(jìn)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(rèn)工作。 5. 誤差分析 因?yàn)槭堑谝淮问褂萌S激光掃描技術(shù)來(lái)進(jìn)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(shí)測(cè)的現(xiàn)狀地形數(shù)據(jù)進(jìn)行核查， 共采集了靠近公路兩側(cè)具有代表性的 160 個(gè)地物點(diǎn) （包括房角、圍墻角、鐵絲網(wǎng)、涵洞等）。通過(guò)核 查結(jié)果計(jì)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(diǎn)（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(shuō)明 將激光掃描測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用于本次帶狀道路的竣工測(cè) 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(huì) 雖然三維激光掃描技術(shù)現(xiàn)在在具體應(yīng)用中還處 于起步階段，但通過(guò)具體項(xiàng)目的實(shí)施，使我們對(duì)激 光掃描技術(shù)進(jìn)行了深入的接觸和了解，也深刻體會(huì) 到它帶來(lái)的巨大變革：全新方便快捷的數(shù)據(jù)采集方 式、海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，但也還有很多地方需要慢慢 完善：點(diǎn)云數(shù)據(jù)量太大，對(duì)電腦要求高、點(diǎn)云處理 軟件對(duì)地形地物特征點(diǎn)不能自動(dòng)提取、對(duì)遮擋盲區(qū) 還沒(méi)有很好的解決方法、車(chē)載系統(tǒng)的作業(yè)范圍受基 站 10 KM 范圍的約束、價(jià)格昂貴，不易普及、暫沒(méi) 有相對(duì)應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)；相信在不久的將來(lái)，以上 難題都能迎刃而解，做到大范圍地推廣應(yīng)用。 參考文獻(xiàn) 1李志鵬等.基于三維激光掃描的大比例尺地形測(cè) 繪方法研究J.武漢：長(zhǎng)江出版社,2014. 2梅文勝等.基于地面三維激光掃描的精細(xì)地形測(cè) 繪J.測(cè)繪通報(bào),2010(1)：53-56. 3李敏.三維激光掃描技術(shù)在古建筑測(cè)繪中的應(yīng)用 J.北京測(cè)繪,2014(1)：111-114. （作者單位：浙江省測(cè)繪大隊(duì)，杭州 310030） （上接第 395 頁(yè)） 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(jī)結(jié)合， 是寶貴的人文旅游資源，具有很高的旅游價(jià)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(shí)，體驗(yàn)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(wú)論是觀賞游、體驗(yàn)游還是學(xué)術(shù)考察游，仿古建筑 都顯示出巨大的旅游價(jià)值。 張家界土家風(fēng)情園以民俗旅游作為支撐其發(fā)展 的力量，開(kāi)園以來(lái)接待了以國(guó)務(wù)院前總理朱镕基為 代表的 30 多位黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人，中央電視臺(tái)、省 級(jí)電視臺(tái)多次對(duì)風(fēng)情園進(jìn)行報(bào)道， 2003 年被列入了 國(guó)家 4A 級(jí)景區(qū)。現(xiàn)每年接待中外游客 60 多萬(wàn)人 次，構(gòu)成了“山上觀風(fēng)景、山下看風(fēng)情”行程精品 線路。 2. 文化價(jià)值 建筑是文化的載體。仿古建筑實(shí)際上是建筑師 在新時(shí)代追尋和發(fā)揚(yáng)本國(guó)建筑文化過(guò)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(guó)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(dú)特的景觀意 象和文化表征。然而，或因年代久遠(yuǎn)，或因保護(hù)不 得當(dāng)， 許多珍貴的古建筑已經(jīng)損毀破壞或不復(fù)存在。 為了向世人展現(xiàn)這些地區(qū)當(dāng)年的建筑藝術(shù)成就和迥 異的風(fēng)土民俗，確立當(dāng)?shù)亟ㄖv史的文化元素，就 有必要利用仿古建筑來(lái)模擬重建。仿古建筑大都建 在有一定歷史的地段。它通過(guò)對(duì)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(fēng) 貌，具有一定的文化底蘊(yùn)，展現(xiàn)出較強(qiáng)的文化價(jià)值。 張家界土家風(fēng)情園向人們展示著湘西歷史上近 兩千年的土司文化，對(duì)于已消失的土司文化提供了 獨(dú)特的見(jiàn)證。園內(nèi)仿古建筑群采用原材料、原工藝、 原式樣地進(jìn)行整體性吊腳樓風(fēng)格的建設(shè)。如園內(nèi)的 九重天世襲堂，整棟樓無(wú)一根鐵釘，建筑造新如舊， 輝映著土家人輝煌的過(guò)去， 承載著豐富的文化信息。 3. 藝術(shù)價(jià)值 仿古建筑的藝術(shù)價(jià)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(yùn)用等幾個(gè)方面。它能反 映這一地區(qū)建筑產(chǎn)生時(shí)的時(shí)代藝術(shù)風(fēng)格、工藝技術(shù) 水平、審美的觀點(diǎn)，同時(shí)還能反映出當(dāng)時(shí)的社會(huì)政 治經(jīng)濟(jì)等的情況。仿古建筑也是當(dāng)今藝術(shù)大師、勞 動(dòng)人民血汗和智慧的結(jié)晶， 其中有許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)， 值得參考借鑒。 張家界土家風(fēng)情園收藏了各種木雕花窗 308 個(gè)、木雕花板 432 塊、雕花門(mén) 318 塊、石雕柱礎(chǔ) 999 個(gè)、紅砂石欄桿 5000 余米?？梢哉f(shuō)，在土家風(fēng)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(jià)值 我國(guó)的古建筑歷史悠久， 文化和歷史底蘊(yùn)深厚。 它們對(duì)研究中國(guó)的歷史， 以及各個(gè)時(shí)代的社會(huì)形態(tài)、 政治、思想、文學(xué)而言是不可多得的史料，特別是 對(duì)歷史，有重要的考證研究?jī)r(jià)值。而仿古建筑是今 人對(duì)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(jià)值。 張家界土家風(fēng)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(duì)土家族近五千年的歷史文化 乃至農(nóng)耕時(shí)代的原始勞作與生活情形系統(tǒng)了解和全 文化解讀。 五、 國(guó)內(nèi)仿古建筑建設(shè)存在的問(wèn)題 1. 盲目建設(shè) 近年來(lái)，由于一些條件較成熟的古城鎮(zhèn)通過(guò)旅 游開(kāi)發(fā)獲得了巨大的利潤(rùn)，其他一些稍有條件的城 市也紛紛行動(dòng)起來(lái)，提出要把發(fā)展旅游業(yè)作為本地 經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)。在這股旅游經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使 下，不少地方政府大興土木、勞民傷財(cái)，建筑了一 大批仿古建筑。有些仿古建筑在建筑過(guò)程