宋楊

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東廣州 510060)

1 引言

移動激光道路測量系統(tǒng)(MMS)代表著當(dāng)今世界最前沿的測繪科技，它是一種基于飛機、飛艇、火車、汽車等移動載體的快速新型激光掃描測量系統(tǒng)。該技術(shù)通常以車輛為移動載體，將激光設(shè)備安置在車頂、在垂直于車輛行駛方向作二維掃描，通過汽車行駛方向形成的運動維，構(gòu)成三維掃描系統(tǒng)。

目前市場上常見的移動激光測量產(chǎn)品都是使用二維激光掃描傳感器進行系統(tǒng)集成，如加拿大Optech公司的LYNX移動激光測量車、美國Applanix公司的LandMark、奧地利 Riegl公司的 VMAX－250、英國 3D Laser Mapping公司的StreetMapper360、美國MDL公司的Dynascan、日本TOPCON公司的IP－S2、諾基亞所屬公司 NAVTEQ、SITECO公司的 Road Scanner以及Google使用的街景采集車。這些產(chǎn)品主要分為高端測量型和低端街景型兩大類，高端測量型產(chǎn)品成本昂貴;低端街景型產(chǎn)品測量距離近，測量精度低，對于某些領(lǐng)域存在的高精度測量及高精細(xì)、高效率、有限成本的工程任務(wù)需求，上述兩類產(chǎn)品往往很難同時滿足。

針對移動激光道路測量系統(tǒng)產(chǎn)品研制與應(yīng)用的現(xiàn)狀，廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院于2012年聯(lián)合首都師范大學(xué)在國內(nèi)率先提出、并實現(xiàn)了集成了RIEGL VZ－400激光掃描儀及Ladybug3全景相機的“多傳感器城市實景移動測量系統(tǒng)”。系統(tǒng)總體創(chuàng)新思路是把廣州市規(guī)劃院于2010年采購引進的、原本僅用于三維定點激光掃描的奧地利RIEGL VZ－400激光掃描儀加工、改造成可用于移動掃描模式，與Ladybug3全景相機、慣性導(dǎo)航裝置、GPS集成，并開發(fā)出多源信息復(fù)合處理的軟件，使之構(gòu)成綜合、完善、靈活適用于不同載體平臺一體化激光測量與可量測城市實景的工程實用系統(tǒng)，實現(xiàn)應(yīng)用需求的各項基本功能。

2 系統(tǒng)性能指標(biāo)

“基于RIEGL VZ－400及Ladybug3全景相機的移動激光道路測量系統(tǒng)”主要由慣性導(dǎo)航裝置IMU+POS、GPS、RIEGL VZ－400激光掃描儀、Ladybug3全景相機、里程計、工控機(筆記本)及相關(guān)后處理軟件組成，為空間數(shù)據(jù)獲取提供一個移動三維信息獲取與處理平臺，達(dá)到機動、靈活、高效率、高精度等特點，系統(tǒng)整體外觀如圖1所示。系統(tǒng)搭載的主要傳感器的性能指標(biāo)如下:

圖1 基于RIEGL VZ－400及Ladybug3全景相機的移動激光道路測量系統(tǒng)

2.1 激光機械光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

·掃描視場:100°

·激光發(fā)射頻率:300 kHz

·激光掃描頻率:3 scan/sec～120 scan/sec

·光束發(fā)散角:0.3 mrad

·激光等級:1級安全

·工作距離:2 m～600 m

·回波采樣方式:多回波探測(4回波)

·行車方向掃描點間距:20 cm(60 km/hr)

·100米外光斑大小為:3 cm

·回波灰度等級:10 bits

·測距精度:8 mm

·重復(fù)測量精度:5 mm

·測角精度:0．1 mRad

·掃描方向掃描點間距:15 cm

2.2 POS組合導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

GPS信號良好情況下，事后差分處理達(dá)到水平:1 cm+1 ppm，垂直:2 cm+1 ppm，航向角優(yōu)于 0.1°，水平姿態(tài)角優(yōu)于0.05°。輸出頻率大于等于 100 Hz，時間同步精度低于 1 ms，初始對準(zhǔn)時間 15 min以內(nèi)，里程計分辨率 10 cm。

2.3 系統(tǒng)整體測量指標(biāo)及精度

系統(tǒng)總體定位精度:可達(dá)到國家測繪地理信息局與行業(yè)管理司于2013年3月9日起草的《地面移動測量專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中對移動道路測量甲級精度要求:GPS信號良好情況下，點云的絕對定位精度優(yōu)于 0.5 m。制定了移動道路測量系統(tǒng)檢校場建立及精度測試的標(biāo)準(zhǔn)化工作機制，在廣州市番禺區(qū)生物島建立了永久性的系統(tǒng)檢校場，并通過了由廣東省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心組織開展的精度測試。

2.4 其他

系統(tǒng)整體為剛性連接，每次安裝無需重新檢校，使用導(dǎo)軌抽拉式安裝，簡單方便高效，安裝時間可控制在2 min～3 min內(nèi)，全景相機的支架可伸縮，整體可不拆卸直接安置于普通SUV車體后備箱，如圖2所示，外觀采用流線型金屬不銹鋼殼體包裝，簡單大方，實現(xiàn)美觀、緊湊、可靠的結(jié)構(gòu)集成。

圖2 系統(tǒng)可整體直接安置于普通SUV車體后備箱

3 系統(tǒng)功能及特色

3.1 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)是多傳感器的集成的綜合系統(tǒng)，其主要功能包括:

(1)以正常車速沿著道路獲取目標(biāo)側(cè)面100°的空間信息;

(2)提供激光點云的快速解算，完成慣導(dǎo)數(shù)據(jù)與激光數(shù)據(jù)的融合，得到高精度點云數(shù)據(jù)，量測的絕對精度優(yōu)于國家測繪地理信息局與行業(yè)管理司提出的《地面移動測量專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》要求;

(3)提供360°全景影像的拼接、配準(zhǔn)，提供帶有地理參考系的可量測全景影像。

3.2 系統(tǒng)特色

(1)充分利用廣州市城市規(guī)劃院已有的RIEGL VZ－400激光掃描儀，將定點激光和車載激光互換使用，節(jié)省成本將近150萬元;

(2)將水平方向可360°旋轉(zhuǎn)的激光用于二維掃描，在車行時可自由設(shè)置掃描旋轉(zhuǎn)角，有利于深入掃描胡同內(nèi)側(cè)，減少樹木遮擋，實現(xiàn)國外兩臺激光才能達(dá)到的效果;

(3)常用車載激光相對精度為 1 cm～2 cm，RIEGL VZ－400相對精度可達(dá)毫米級，適合于對相對測量精度要求較高的項目，比如道路平整度、車轍等的測量;

(4)作業(yè)距離遠(yuǎn)，在長距離模式下可達(dá) 600 m，高速模式下可達(dá) 350 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有車載激光，在高速公路改擴建的項目中，在精度上可高于機載激光，在作用范圍上，可替代機載激光的作用。

(5)全套設(shè)備總體重量小于 25 kg，方便搬運及裝載在其他輕便載體上。

4 系統(tǒng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作流程

近年來，廣州市規(guī)劃院成功地利用MMS技術(shù)完成了多個數(shù)字城市管理、實景影像采集、市政部件調(diào)查、街區(qū)立面整治等方面的項目，取得了良好的社會效應(yīng)，積累了豐富的實踐經(jīng)驗，在華南地區(qū)產(chǎn)生了積極的示范效應(yīng)。在不斷的實踐與探索，廣州市規(guī)劃院總結(jié)了一套切實可行的移動道路測量系統(tǒng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的工作流程。

4.1 系統(tǒng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集

MMS系統(tǒng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作流程如圖3所示，主要過程如下:

(1)開啟基站，記錄基站信息。

(2)設(shè)備安置、接線、安全確認(rèn)。

圖3 MMS系統(tǒng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作流程

(3)開啟硬件系統(tǒng):按照系統(tǒng)硬件操作流程依次開啟硬件設(shè)備，并設(shè)置好硬件的狀態(tài)參數(shù)。

(4)GPS接收機:打開GPS接收機和連接的計算機，檢查設(shè)置參數(shù)是否正確。

(5)慣導(dǎo)設(shè)備:確認(rèn)慣導(dǎo)初始參數(shù)設(shè)置的正確性，打開慣導(dǎo)狀態(tài)監(jiān)測界面。

(6)全景相機:開啟全景相機，確定正常工作狀態(tài)，設(shè)置當(dāng)前工作的全景相機觸發(fā)模式，設(shè)置全景影像存儲路徑。

(7)激光掃描儀:開啟激光掃描儀，確定正常工作狀態(tài)，設(shè)置當(dāng)前作業(yè)的掃描模式，掃描角度、掃描速度等參數(shù)，設(shè)置激光掃描數(shù)據(jù)存儲路徑。

(8)系統(tǒng)軟件啟動:在硬件系統(tǒng)全部正常啟動后，啟動系統(tǒng)軟件并對相關(guān)的參數(shù)進行設(shè)置，觸發(fā)方式一般設(shè)置為每隔 5 m觸發(fā)一次。每個工程應(yīng)設(shè)定起點和終點，一般情況下，一個工程的終點與下一個工程的起點應(yīng)該重合。

(9)數(shù)據(jù)采集:測量車進入測區(qū)，司機按照計劃路線和作業(yè)組長要求行駛，作業(yè)人員按照規(guī)定項目內(nèi)容對其進行數(shù)據(jù)采集并對影像進行保存。

在采集作業(yè)中，對出現(xiàn)影響數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)的完整性等問題及時給予記錄，并填寫《外業(yè)補測記錄表》。

(10)采集作業(yè)完成后，將采集數(shù)據(jù)拷貝至外掛數(shù)據(jù)專用移動硬盤，依次關(guān)閉各硬件設(shè)備，最后關(guān)閉系統(tǒng)電源。

4.2 系統(tǒng)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)主要處理包括GPS/IMU集成處理、影像地理參考、全景影像與激光點云的融合配準(zhǔn)、屬性采集、矢量編輯及標(biāo)準(zhǔn)空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，具體流程如圖4所示。

圖4 MMS系統(tǒng)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理集工作流程

(1)GPS數(shù)據(jù)的差分后處理

將移動站的GPS/IMU融合的數(shù)據(jù)與基站采集的GPS數(shù)據(jù)進行差分后處理，消去系統(tǒng)和環(huán)境誤差，提高移動站GPS測量數(shù)據(jù)的精度。

(2)全景影像數(shù)據(jù)后處理

影像數(shù)據(jù)后處理是指將采集的360°全景相機影像數(shù)據(jù)經(jīng)過和GPS數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)、處理、優(yōu)化，生成入庫文件。

(3)全景影像與激光點云的融合配準(zhǔn)

傳統(tǒng)全景影像是無空間坐標(biāo)信息的，而激光點云則僅包含空間坐標(biāo)信息，對該坐標(biāo)的影像屬性是缺失的，解決影像與點云數(shù)據(jù)的融合配準(zhǔn)是本項目的關(guān)鍵性創(chuàng)新點之一。系統(tǒng)設(shè)備在采集過程中，首先實現(xiàn)了全景影像及激光點云兩類數(shù)據(jù)在時間觸發(fā)上的同步采集，以此為基礎(chǔ)，在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)加工處理中，影像與點云數(shù)據(jù)可建立較高精度的配對關(guān)系，主要原理是通過由激光點云提供任意時刻、對應(yīng)處全景影像的三維坐標(biāo)，還原全景影像中任意點的坐標(biāo)。即以激光點云數(shù)據(jù)確立的準(zhǔn)確坐標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，將全景影像與其套合，在此原理上，利用輔助網(wǎng)格方便進行點位坐標(biāo)采集，長度測量，面積測量，跨幀測量等。在全景影像中進行測量的最大優(yōu)點就是無需逐個實地操作，在全景影像中就可以完成所見即所得的測量，高效安全。

全景相機與IMU偏心量的測定:全景相機與IMU偏心量可以直接用尺子量取，可以用全站儀分別測量相機投影中心和IMU中心坐標(biāo)，計算出偏心量。

全景相機與IMU間相對姿態(tài)精求:用點云配準(zhǔn)軟件與全景影像疊加工具，直接調(diào)整相機姿態(tài)角，使點云與影像中特征點完全匹配重合，記錄相機與IMU間相對姿態(tài)數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 相機影像與點云精確配準(zhǔn)精求姿態(tài)

根據(jù)相機與IMU間相對姿態(tài)數(shù)據(jù)和組合導(dǎo)航結(jié)果計算相機拍攝時刻外方位元素。利用共線方程式計算點云在影像中的位置，將此RGB值賦予點云形式彩色點云數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 用全景影像融合得到廣州的彩色點云

(4)部件圖層處理

屬性錄入結(jié)合外業(yè)采集屬性數(shù)據(jù)庫、影像數(shù)據(jù)、設(shè)計資料、測區(qū)收集的地形圖、航空遙感影像、交通圖;各類數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)、相互補充，形成完整的部件圖層數(shù)據(jù)。

5 應(yīng)用實例

圖7 全景相機影像與激光點云數(shù)據(jù)的精確配準(zhǔn)

圖8 二三維數(shù)據(jù)聯(lián)動，基于可量測全景影像的市政要素提取，絕對精度優(yōu)于0.5 m

圖9 基于原始點云和全景影像實現(xiàn)全自動三維建模和紋理貼附

圖10 具備量測功能的網(wǎng)絡(luò)版街景發(fā)布

6 結(jié)語

“基于RIEGL VZ－400及Ladybug3全景相機的移動激光道路測量系統(tǒng)”在保持高精度、遠(yuǎn)距離的測量精度之外，兼顧城市實景測量車的特點、獲取適合人眼視覺的全景影像，可同時適用于地面定點激光掃描、車載移動激光掃描、船載移動激光掃描等不同載體平臺和應(yīng)用環(huán)境。系統(tǒng)以及相關(guān)的處理軟件自投入運行以來，已經(jīng)在廣州市三維實景影像采集和城市管理部件普查(二期)、數(shù)字營區(qū)建設(shè);帶狀地形圖測繪、道路改擴建項目;移動道路測量與航空傾斜攝影測量整合等項目中進行了實際的應(yīng)用，與傳統(tǒng)測量手段形成了很好的互補、豐富了測繪地理信息產(chǎn)品的形式、延伸了測繪地理信息服務(wù)的產(chǎn)業(yè)鏈，為數(shù)字廣州、智慧廣州進一步的發(fā)展提供強有力的支撐。

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