車載LiDAR在智能化全息測繪中的應(yīng)用

王文峰

（1.上海市測繪院，上海 200063）

智能化全息測繪是以地理信息服務(wù)精細化、精確化、真實化、智能化為目標，利用傾斜攝影、激光掃描等傳感技術(shù)獲取全息地理實體要素，通過深度學(xué)習(xí)等AI 技術(shù)自動半自動化提取建立地理實體的矢量、三維模型數(shù)據(jù)，并結(jié)合調(diào)繪充實各地理實體的社會經(jīng)濟屬性，形成涵蓋地上地下、室內(nèi)室外的一體化的全息高清、高精的結(jié)構(gòu)化實體三維地理數(shù)據(jù)，為智慧社會提供全空間的地理信息服務(wù)[1-3]。

傳統(tǒng)的外野測圖勞動強度大、成本高、周期長、易受外界環(huán)境的影響，采集的要素種類不全、且都是二維坐標，滿足不了數(shù)字城市建設(shè)對三維地理信息的需求[4-5]。車載LiDAR 是全息采集手段中的重要一環(huán)，能夠高效、全面地獲取道路及其附屬設(shè)施和部分建筑立面的空間和紋理信息。結(jié)合點云和影像數(shù)據(jù)我們可以做到對道路紅線范圍內(nèi)三維數(shù)據(jù)的能采盡采、應(yīng)采盡采，極大的豐富了數(shù)據(jù)采集的內(nèi)容。相比于傳統(tǒng)的作業(yè)手段，獲取的數(shù)據(jù)更全面、更精細、更實時、更真實[6-8]。

1 車載激光掃描系統(tǒng)

車載激光掃描系統(tǒng)主要由激光掃描儀、全景相機、慣性導(dǎo)航單元IMU、GPS 定位系統(tǒng)和里程計DMI 等組成，系統(tǒng)集成度高、測量精度高且可多平臺安放。車載移動測量系統(tǒng)在工作時，GPS 為各類傳感器提供統(tǒng)一的時間系統(tǒng)，測量車在行駛過程中的實時位置也通過GPS 來獲取。全景相機在作業(yè)過程中，主要負責(zé)記錄道路兩側(cè)的街景影像數(shù)據(jù)，同時激光掃描儀與大地坐標系X、Y、Z 三個方向的夾角（橫滾角、俯仰角、航向角）由IMU 實時地獲取，根據(jù)獲得的位置與姿態(tài)信息，經(jīng)過一系列的平移和旋轉(zhuǎn)可以獲得目標點在大地坐標系下的三維坐標值。當每個傳感器的數(shù)據(jù)采集任務(wù)完成之后，將各類數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理后融合得到彩色三維點云數(shù)據(jù)。

本次采用的華測AS-900HL 多平臺激光雷達測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要有以下優(yōu)勢：①多平臺，卡扣式快速拆裝模式，可在機載、車載模式下快速切換；②高精度，車載模式滿足5 cm，機載模式滿足5 ～20 cm不同精度等級要求；③高效率，車載模式城市道路30～50 km/h，機載0.6～1 km2/架次；④智能化，通過手持端無線遠程控制，8 km 范圍內(nèi)實時參數(shù)設(shè)置、設(shè)備監(jiān)控及控制激光、相機、慣導(dǎo)等數(shù)據(jù)記錄和停止，輕量靈活。整機重量僅4.7 kg，掛載于一體化設(shè)計的大黃蜂無人機續(xù)航40 min，同時可外接高清相機，生成彩色點云和正攝影像。其主要性能指標見表1。

表1 AS-900HL 多平臺激光雷達系統(tǒng)主要性能指標

2 車載數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 測區(qū)概況

本次示范區(qū)是上海市浦東新區(qū)張江科學(xué)城，張江被譽為中國硅谷，是上海市浦東新區(qū)重點開發(fā)區(qū)域之一。測區(qū)內(nèi)交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)達，道路紅線范圍內(nèi)地理要素種類齊全，具有較強的代表性。

2.2 前期準備

數(shù)據(jù)采集前宜收集施測及鄰近區(qū)域的正射影像、大地測量資料，了解測區(qū)概況和數(shù)據(jù)采集日期的天氣情況。規(guī)劃停車區(qū)域、GNSS 基站布設(shè)位置以及行車路線，了解施測及鄰近區(qū)域的道路通行情況，對不熟悉的測區(qū)進行實地踏勘。糾正點布設(shè)，糾正點宜沿道路進行布設(shè)，交叉路口應(yīng)布設(shè)。宜選取具有一定厚度和大小的道路標線（如停車線、標識、分隔線外角等特征點），檢查點布設(shè)，檢查點宜布設(shè)在相鄰糾正點中間的區(qū)域。

2.3 數(shù)據(jù)采集

在數(shù)據(jù)采集之前，要進行設(shè)備的調(diào)試與GNSS 基站的架設(shè)。慣性測量裝置的初始化應(yīng)采用靜態(tài)觀測等方式進行，初始化時GNSS 衛(wèi)星數(shù)量不宜小于10 顆，位置精度衰減因子（PDOP）宜小于4。

采集過程中要避開上下班高峰期，不宜與大車并行，行駛速度應(yīng)滿足點云密度要求，一般城市道路行駛速度不宜超過40 km/h，隧道、高架等區(qū)域行駛速度不宜超過60 km/h。雙向四車道及以上，或有中央隔離帶的道路，應(yīng)雙向掃描。地下隧道、高架以及輔道、匝道，應(yīng)專門掃描。雙向兩車道及以下且沒有中央隔離帶的道路，可只采集一次。在不違反交通規(guī)則的情況下，單向雙車道應(yīng)靠右車道行駛。單向三車道應(yīng)沿中間車道行駛，單向四車道應(yīng)沿右側(cè)第二車道行駛。十字路口宜采用“井”字形采集，縱橫方向宜是通路，盡量避免車輛調(diào)頭。實景影像采集時應(yīng)盡量避免逆光，宜按距離觸發(fā)方式采集影像，距離不宜超過15 m。

2.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集完成之后，選擇距離施測區(qū)域最近的GNSS 基站數(shù)據(jù)與IMU 數(shù)據(jù)通過IE 進行組合導(dǎo)航計算得到POST 文件。利用POST 文件提供的時間、位置、姿態(tài)信息以及相關(guān)參數(shù)文件，通過配套的后處理軟件CoPre 完成點云數(shù)據(jù)、全景影像數(shù)據(jù)的解算。點云解算時對其進行距離濾波，本項目選擇的濾波距離為50 m，減小了后期點云處理的數(shù)據(jù)量與復(fù)雜程度。在GNSS衛(wèi)星信號較差或失鎖的區(qū)域，結(jié)合糾正點和點云糾正軟件CoRefine 提升定位測姿數(shù)據(jù)的精度，以獲取高精度的點云數(shù)據(jù)，本項目中點云的平面和高程精度都控制在5 cm 之內(nèi)。點云數(shù)據(jù)解算完成之后，使用檢查點數(shù)據(jù)與點云點數(shù)據(jù)進行對比分析并統(tǒng)計精度情況，由此判斷生產(chǎn)的點云數(shù)據(jù)是否滿足項目所要求的精度，通過驗證后方可進入下一步處理環(huán)節(jié)。

高精度的點云獲取完成之后，本項目結(jié)合全自動、半自動化的方法對紅線范圍內(nèi)的所有地物進行全要素的三維提取。桿類、箱類地物則提取其落地中心位置，牌類地物根據(jù)其具體類別提取其左下角或中心位置，線狀地物提取其實際的三維位置。主要要素包括道路邊界、道路標線、交通信號燈、交通標志牌、路燈、探頭、行道樹、郵箱、垃圾箱、電力箱、電信箱、控制箱、消火栓、公交站牌等，其中路燈、探頭、交通指示箭頭等有朝向的地物需采集其角度信息。相比于傳統(tǒng)的地形圖，道路紅線范圍內(nèi)新增地物要素70 多種。根據(jù)上海市特大城市的管理需求，結(jié)合車載點云數(shù)據(jù)、全景影像數(shù)據(jù)以及外業(yè)綜合調(diào)繪等手段，還對采集的地理要素根據(jù)其在經(jīng)濟社會中承擔的角色增加了各自的社會經(jīng)濟屬性，為精細化的城市管理提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。圖1 為紅線范圍內(nèi)全要素地形圖的局部制作成果。

圖1 全要素地形圖成果

3 成果精度與分析

為驗證全要素地形圖成果的進度，在階段性成果中挑選了2 km2的數(shù)據(jù)進行了驗證。平面精度驗證使用RTK 布控，全站儀實測的方法。高程精度驗證采用水準儀實測和三角高程實測的方法，共采集了平面點1 716 個，高程點294 個。平面、高程精度統(tǒng)計表如下，其中平面精度主要按地物類別統(tǒng)計，高程精度按地物精度等級統(tǒng)計，一級主要包括城市道路，二級主要包括交通及附屬設(shè)施，三級主要包括管線設(shè)施。由表2、3 可見，各類地物平面精度都在10 cm 之內(nèi)，高程精度都在6 cm 之內(nèi)，滿足本項目設(shè)計要求。

表2 平面精度統(tǒng)計表/cm

表3 高程精度統(tǒng)計表/cm

4 結(jié) 語

相比于傳統(tǒng)的地形圖，全要素地形圖實現(xiàn)了從二維到三維的提升，采集的要素種類、屬性信息也有了很大幅度的增加。利用車載激光掃描系統(tǒng)實現(xiàn)了對道路紅線范圍內(nèi)要素的能采盡采、應(yīng)采盡采，提升了作業(yè)效率，豐富了數(shù)據(jù)采集的內(nèi)容，滿足社會對三維地理信息日益增長的需求。隨著智慧城市的不斷推進，全要素地形圖成果的應(yīng)用需求也會越來越廣泛，如自動駕駛高精度地圖、城市精細化管理等方面都會產(chǎn)生巨大的價值。