SSW 车载激光扫描测量系统在带状高速公路竣工测绘中的应用.pdf

城市建筑研究探讨URBANISM AND ARCHITECTURERESEARCHDISCUSSION 397 SSWSSW 车载激光扫描测量系统在带状高速公路竣工测绘中的车载激光扫描测量系统在带状高速公路竣工测绘中的 应用应用 The Application of SSW Vehicle-borne Laser Scanning Measurement System in Belt Highway Complete Surveying and Mapping 李建刚 Li Jiangang 摘 要 本文主要阐述了如何利用 SSW 车载激光扫描测量 系统代替传统测绘作业方式，采集高速公路及两侧 50 m 范 围内的地貌、地物；通过专用软件内业成图的过程，为高 新测绘技术在实际项目的应用中提供具体可行的参考案 例。 关键词 SSW 车载激光扫描 激光测量 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 随着世界的进步、科技的发展，各行各业高新 产品层出不穷，测绘行业也经历着巨大的变革，20 世纪 90 年代， 激光扫描测绘新技术为空间三维数据 信息获取手段提供了新的技术可能性，随着相关技 术水平集各方性能的进步，扫描测绘相关技术特别 是车载激光建模测量系统的发展，使得外业坐标相 关数据的获得方式有了新的突破，从人工单点采集 到不间断的自动获取，更加促进了数据获取的智能 化、自动化的实现。和传统的测量技术比较而言， 其所具备的优越性较为明显，能够在空间数据采集 及更新领域获得广泛的应用。车载激光的扫描测绘 系统主要依托于完善全面的公路网，以此覆盖到绝 大部分项目的测绘区域, 具备效率高、测量快速等 特点，所以近年该技术在实际项目中的应用备受行 业关注，本文采用中国测绘科学院自主研发的 SSW 车载激光扫描测量系统，在介绍三维激光扫描技术 基本原理的基础上，配以具体项目工程为例进行了 说明。 一、 SSW 车载激光扫描测量系统工作原理 首先，通过 GPS 进行所载车辆的定位，取得原 点大地坐标的精确数据，再通过 IMU 进行车载激光 扫描测量系统姿态测量，获取大地坐标系的三维激 光扫描仪偏航角、滚动角及高低角；进而通过激光 扫描的方式对待测点做好逐点的测量扫描，获得待 测点相对测绘基准而言的方位角、高低角及距离； 通过解算得到待测点的大地坐标数据。 SSW 车载激光扫描测量系统工作原理如图 1 所 示。 图 1 SSW 车载激光扫描测量系统工作原理图 图中，M 为待测点，坐标设为（X,Y,Z）。Xgps、 Ygps、Zgps 为激光扫描仪坐标，由 GPS 提供；当进 行激光扫描时，扫描仪与大地坐标轴夹角由 IMU 和 GPS 测得，分别得到姿态角度yaw、pitch、 roll，待测目标相对激光扫描仪坐标系统的坐标为 （Xlaser、Ylaser、Zlaser）,可以由激光扫描仪测 得的目标距离和目标视线角度计算得到。 目标点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 设目标相对于激光扫描仪视线角度分别为A(高 低 角) 、E （水 平 角 ）R(目 标 距 离) ， 则有 ： Xlaser=RsinAcosE；Ylaser=RsinAsinE；Zlaser= RcosE 二、 关键技术 1. 高速度、高分辨率激光扫描技术 激光扫描根据数据采样密度与空间发布的相关 要求，采用光学扫描手段使得激光测量光束能够投 射至地形与地貌表面。车载三维激光扫描测量最为 重要的特征在于高密度且快速准确进行采样测量， 而高速度、高分辨率、高精度激光扫描是体现这项 特征的重要核心技术。 此次项目为了实现高密度的快速采样，车载激 光测量系统具有高达 200 kHZ 的激光点频率。 2. 高精度、超远距目标激光扫描测距技术 测距信息是激光测绘的重要参数之一，目标的 坐标由角度、距离等信息计算得到。由于大气扰动、 各目标表面不同的光学特征差异引起的信号波动、 相邻目标距离的剧烈变化等等因素都在一定程度上 影响着激光测距的精度，在技术上往往采用窄脉冲 激光和恒比定时技术来削弱主回波前沿的抖动，此 次 SSW 车载激光测量系统是 360 度、射程 300 M 的 激光、0.01 度的 IMU 和 4080 可调的线频。 三、 嘉（兴）绍（兴）高速公路竣工测量应用实例 1. 项目概况 嘉绍高速公路嘉兴段北接乍嘉苏高速互通，南 到嘉绍大桥，全长约 40 KM，其 2013 年 7 月开通， 距今测绘的时间不是很长，通过实地踏勘，公路两 侧沿线植被覆盖程度一般，对此次激光测绘扫描不 会造成影响，故在客户要求最快时间提交成果资料 的情况下，引入中国测绘科学院的 SSW 车载激光测 量系统，以便在最短时间内响应客户的要求。 2. 项目实施方案 （1）外业激光数据采集 项目全长约 40 KM，共布设 11 个 GPS D 级点和 45 个 GPS E 级点；先在下图 2 中所标基站位置，架 设两台 Trimble R8 仪器按 10 赫兹的频率进行长时 间静态观测，所得数据在内业与 SSW 车载激光测量 系统扫描数据进行后差分。 图 2 外业测绘工作示意图 两基站点开始工作后， 按下列顺序给设备通电： 车载 GPS工作站IMU激光相机，经 15 分钟 的 GPS 状态初始化，各设备参数回报正常后，车载 激光测量系统按 25 KM/小时，按原规划路线开始扫 描、采集数据工作；车载激光测量系统先从高速公 路北端，沿路边最右侧应急车道以 25 KM/小时的速 度往南行驶，并记录沿线因植被覆盖、公路隔音玻 璃等建筑物遮挡产生的扫描盲区所在里程数，以便 后期对盲区有的放矢的进行补扫，提高工作效率； 在到达公路南端测绘范围线后，找最近出入口按由 南到北的路线进行道路另一侧的扫描工作；完成主 线两侧道路的扫描工作后，对沿线互通进行补扫作 业，达到激光数据的全路线覆盖；等完成沿线所有 扫描工作后，车载激光测量系统找一开阔处进行为 期 15 分钟的 GPS 状态初始化， 各设备参数回报正常 后，按下列顺序给设备关机：相机激光 IMU 工作站车载 GPS，而后将两台 R8 基站关机，整个 398 项目作业完成。此次项目，共花费两天的时间完成 所有外业数据扫描工作。 （2）内业数据处理 1）点云数据处理 平滑与去噪：测量系统在外业进行数据扫描 采集时，所得的点云数据因受到环境等因素的影响 而出现噪声点，还有可能产生不属于扫描目标本身 的冗余数据，对后期内业成图造成大的影响，需要 对点云数据进行去噪处理。 点云数据的精简：车载激光测量系统虽然具 有测量速度快、精度高等优点，但也存在非连续覆 盖（基于一定的采样间距采样）和数据量大等缺点， 尤其是其庞大的数据量，本项目 40 KM，两天的点云 总量达到了惊人的 146 G，光是坐标解算就花了 1 天 时间，这么庞大的数据量，给后期的数据解算处理、 传输和进一步应用都造成了极大的障碍。它的冗余 性主要表现在下面两个方面：一是含有较多的重复 的数据，同一位置含有多次扫描的重复数据；二是 含有较多的不需要的数据，如建筑物我们只需要提 取墙体边缘的点云数据就足够了，而不需要墙面中 间部分的；所以对点云数据进行一定的精简是十分 必要的。 点云解算：首先使用激光扫描仪配套后处理 软件 SS-LiPre_RAII，将原始数据*.imp 处理成 *.bplr 和*.upt；而后将解算完成的点云数据导入 到 swDY 软件中进行统一的库管理， 保证每一个工程 都有唯一的数据库（*.swm）。 3. 内业成图 在 swDY 软件中，根据点云数据结合影像，对地 形、 地貌进行判别， 输出相关矢量数据 （DXF 文件） ； 最后在 CASS 9.0 软件中对整个图形进行修饰、编制 1:1000CAD 地形图。 4. 成果内容 （1）点云数据 点云数据是最原始的测绘数据，是现势地物真 实尺寸的原始反映，是对档案资料最原始、最完整 和最精确的保存手段，其中有很多的信息并未被充 分使用，如公路沿线广告牌、指示牌、路灯、建筑 物等的高度数据，因此，点云数据所保存的信息， 可以说是空间物体原始面貌最真实的反映。常规的 测量手段，无法在同等时间内获取相当量的空间信 息，同时在技术上也是不太现实的。所以，点云数 据是一种最精确的保存档案，可以为客户提供后续 的一些数据服务。 （2）线划图数据 最终提交的成果数据就是我们用传统作业方式 提交的 1:1000CAD 成果，不进行分幅整饰，按整条 线路出最终图纸，以便后期的界址盖章确认工作。 5. 误差分析 因为是第一次使用三维激光扫描技术来进行传 统作业，为了确保成果质量，将最终提交的线划图 成果数据与全站仪实测的现状地形数据进行核查， 共采集了靠近公路两侧具有代表性的 160 个地物点 （包括房角、围墙角、铁丝网、涵洞等）。通过核 查结果计算求得，平面中误差为 18 cm，高程中误差 为 13 cm；从核查结果可以看出绝大部分误差值集中 在 8 cm 左右，部分地形地貌点（水渠、部分铁丝网、 涵洞）的差值较大，造成了中误差值偏大，但所有 数据均未超规定中误差限值30 cm，由此可以说明 将激光扫描测绘技术应用于本次带状道路的竣工测 绘中是完全可行的，采集的数据也是精确可靠的。 6. 体会 虽然三维激光扫描技术现在在具体应用中还处 于起步阶段，但通过具体项目的实施，使我们对激 光扫描技术进行了深入的接触和了解，也深刻体会 到它带来的巨大变革：全新方便快捷的数据采集方 式、海量的点云数据，但也还有很多地方需要慢慢 完善：点云数据量太大，对电脑要求高、点云处理 软件对地形地物特征点不能自动提取、对遮挡盲区 还没有很好的解决方法、车载系统的作业范围受基 站 10 KM 范围的约束、价格昂贵，不易普及、暂没 有相对应的规范和标准；相信在不久的将来，以上 难题都能迎刃而解，做到大范围地推广应用。 参考文献 1李志鹏等.基于三维激光扫描的大比例尺地形测 绘方法研究J.武汉：长江出版社,2014. 2梅文胜等.基于地面三维激光扫描的精细地形测 绘J.测绘通报,2010(1)：53-56. 3李敏.三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用 J.北京测绘,2014(1)：111-114. （作者单位：浙江省测绘大队，杭州 310030） （上接第 395 页） 或挺拔刚健，或雍容华贵，或柔和纤秀，或端庄大 方，体现了生态、形态和情态三位一体的有机结合， 是宝贵的人文旅游资源，具有很高的旅游价值。徜 徉其间，游客可以在欣赏仿古建筑与自然环境融为 一体的美景的同时，体验各地生活的情趣，感受各 地迥异的传统文化，触摸先人的建筑技艺和智慧。 无论是观赏游、体验游还是学术考察游，仿古建筑 都显示出巨大的旅游价值。 张家界土家风情园以民俗旅游作为支撑其发展 的力量，开园以来接待了以国务院前总理朱镕基为 代表的 30 多位党和国家领导人，中央电视台、省 级电视台多次对风情园进行报道， 2003 年被列入了 国家 4A 级景区。现每年接待中外游客 60 多万人 次，构成了“山上观风景、山下看风情”行程精品 线路。 2. 文化价值 建筑是文化的载体。仿古建筑实际上是建筑师 在新时代追寻和发扬本国建筑文化过程中的一种探 索，它也是建筑的一种形式。由于文化的差异及自 然环境的不同，中国的民族建筑有着千姿百态的景 观特征，亦即各地的建筑都有着自已独特的景观意 象和文化表征。然而，或因年代久远，或因保护不 得当， 许多珍贵的古建筑已经损毁破坏或不复存在。 为了向世人展现这些地区当年的建筑艺术成就和迥 异的风土民俗，确立当地建筑历史的文化元素，就 有必要利用仿古建筑来模拟重建。仿古建筑大都建 在有一定历史的地段。它通过对传统建筑具象或抽 象的深入模仿，能在一定程度上再现传统建筑的风 貌，具有一定的文化底蕴，展现出较强的文化价值。 张家界土家风情园向人们展示着湘西历史上近 两千年的土司文化，对于已消失的土司文化提供了 独特的见证。园内仿古建筑群采用原材料、原工艺、 原式样地进行整体性吊脚楼风格的建设。如园内的 九重天世袭堂，整栋楼无一根铁钉，建筑造新如旧， 辉映着土家人辉煌的过去， 承载着丰富的文化信息。 3. 艺术价值 仿古建筑的艺术价值主要表现在造型的优美、 制作工艺的精巧和色彩的运用等几个方面。它能反 映这一地区建筑产生时的时代艺术风格、工艺技术 水平、审美的观点，同时还能反映出当时的社会政 治经济等的情况。仿古建筑也是当今艺术大师、劳 动人民血汗和智慧的结晶， 其中有许多宝贵的经验， 值得参考借鉴。 张家界土家风情园收藏了各种木雕花窗 308 个、木雕花板 432 块、雕花门 318 块、石雕柱础 999 个、红砂石栏杆 5000 余米。可以说，在土家风情 园内处处可领略土家建筑雕刻艺术的成就。 4. 历史价值 我国的古建筑历史悠久， 文化和历史底蕴深厚。 它们对研究中国的历史， 以及各个时代的社会形态、 政治、思想、文学而言是不可多得的史料，特别是 对历史，有重要的考证研究价值。而仿古建筑是今 人对这些古建筑的模拟，在一定程度上也因模拟的 主体而产生附加的历史价值。 张家界土家风情园内的土家历史文化展示区和 民居文化展示区，可对土家族近五千年的历史文化 乃至农耕时代的原始劳作与生活情形系统了解和全 文化解读。 五、 国内仿古建筑建设存在的问题 1. 盲目建设 近年来，由于一些条件较成熟的古城镇通过旅 游开发获得了巨大的利润，其他一些稍有条件的城 市也纷纷行动起来，提出要把发展旅游业作为本地 经济发展的重点产业。在这股旅游经济利益的驱使 下，不少地方政府大兴土木、劳民伤财，建筑了一 大批仿古建筑。有些仿古建筑在建筑过程