隧道移動(dòng)三維掃描點(diǎn)云糾正的控制方案研究

楊紅軍，何 磊，魏 敏，王勝利

（1.江蘇省地質(zhì)測(cè)繪院，江蘇 南京 211100；2.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211100）

傳統(tǒng)測(cè)量方法和站式掃描儀在采集隧道內(nèi)道路、墻壁、頂蓋以及各種部件的三維坐標(biāo)時(shí)，作業(yè)效率較低，難以滿足在繁忙的隧道內(nèi)開(kāi)展空間信息采集的需求。移動(dòng)三維掃描系統(tǒng)具有掃描速度快、采集信息全等特 點(diǎn)[1]，能較好地克服隧道內(nèi)車流量大、作業(yè)窗口時(shí)間短等因素的制約。為了解決隧道內(nèi)GNSS連續(xù)失鎖、移動(dòng)三維掃描精度難以保證的問(wèn)題，本文在隧道口及其周邊建立GNSS網(wǎng)、導(dǎo)線和水準(zhǔn)網(wǎng)來(lái)獲取隧道內(nèi)控制標(biāo)靶的高精度三維坐標(biāo)，并分析了在GNSS完全失鎖的情況下，控制標(biāo)靶布設(shè)方案對(duì)點(diǎn)云糾正精度的影響[2]。

1 研究背景與技術(shù)路線

1.1 研究背景

南京市某隧道掃描建模項(xiàng)目需獲取可靠的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行地下空間綜合開(kāi)發(fā)利用的可行性研究，點(diǎn)位精度要求較高。該隧道是南京市主干道，位于高樓林立的城市中心，全長(zhǎng)1.4 km，雙向隧道間以及隧道兩端通視困難。

1.2 技術(shù)路線

本文采用多平臺(tái)激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行移動(dòng)掃描，獲取隧道內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；再利用控制測(cè)量方法采集隧道內(nèi)的標(biāo)靶坐標(biāo)，用于點(diǎn)云糾正，并對(duì)糾正方案進(jìn)行了分析。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

2 控制網(wǎng)布設(shè)解算

2.1 GNSS網(wǎng)測(cè)量

根據(jù)隧道周邊實(shí)際踏勘情況，結(jié)合GNSS網(wǎng)觀測(cè)對(duì)點(diǎn)位布設(shè)的要求，在隧道口共布設(shè)9個(gè)GNSS控制點(diǎn)，其中D6點(diǎn)布設(shè)在東隧道的支隧道入口處，其余 8個(gè)點(diǎn)成對(duì)布設(shè)在雙向隧道的出入口處，網(wǎng)形結(jié)構(gòu)如 圖2所示。GNSS網(wǎng)外業(yè)采用5臺(tái)Leica CS16接收機(jī)按照D級(jí)網(wǎng)要求進(jìn)行觀測(cè)，內(nèi)業(yè)對(duì)同步環(huán)、異步環(huán)、重復(fù)基線進(jìn)行檢核，并對(duì)全網(wǎng)開(kāi)展平差。解算小范圍獨(dú)立GNSS網(wǎng)可采用一點(diǎn)一方向平差方法[3]，以網(wǎng)中一點(diǎn)坐標(biāo)為起算點(diǎn)、一個(gè)方位角為起算方向進(jìn)行二維平差，從而避免了起算點(diǎn)兼容性差對(duì)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的破壞，其內(nèi)符合精度較高[4]。將聯(lián)測(cè)的D18點(diǎn)NJCORS成果作為獨(dú)立GNSS網(wǎng)假定的起算點(diǎn)，以D18到D11的方位角為起算方向開(kāi)展平差。為了提高GNSS網(wǎng)中短邊測(cè)量精度，對(duì)網(wǎng)中能直接觀測(cè)的8條基線采用全站儀對(duì)向觀測(cè)方法進(jìn)行觀測(cè)，并將觀測(cè)得到的斜距加入控制網(wǎng)中進(jìn)行改正。平差得到的最弱點(diǎn)為D2，其點(diǎn)位中誤差為6.8 mm；對(duì)沒(méi)有進(jìn)行基線改正的邊長(zhǎng)進(jìn)行分析，最弱邊為D11－D17，其邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差為1/95 477，說(shuō)明GNSS網(wǎng)內(nèi)符合精度良好。

圖2 隧道GNSS網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

本文將平差產(chǎn)生的9個(gè)GNSS點(diǎn)成果與NJCORS直接采集的點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行比較，其中誤差最大的點(diǎn)為D2，差值為0.032 m，該點(diǎn)距離起算點(diǎn)較遠(yuǎn)，符合采用一點(diǎn)一方向解算GNSS網(wǎng)誤差分布的一般規(guī)律[5]。分析數(shù)據(jù)顯示，8個(gè)較差中有7個(gè)分布在3 cm以內(nèi)（表1），說(shuō)明GNSS網(wǎng)與南京地方坐標(biāo)系的連接精度 較高。

表1 GNSS網(wǎng)成果與NJCORS點(diǎn)坐標(biāo)較差統(tǒng)計(jì)表

2.2 導(dǎo)線測(cè)量

隧道內(nèi)雙向車道中間有界墻阻隔，路面有綠化隔離帶，導(dǎo)線只能沿道路布設(shè)，無(wú)法形成閉合導(dǎo)線。受觀測(cè)條件限制，導(dǎo)線分為東西兩條進(jìn)行獨(dú)立觀測(cè)和解算[6]，以東隧道導(dǎo)線為例，外業(yè)采用天寶S8全站儀按照一級(jí)導(dǎo)線要求進(jìn)行觀測(cè)。其網(wǎng)形如圖3所示。

圖3 東隧道導(dǎo)線網(wǎng)形圖

本文選取D1、D2、D6、D9、D10共5個(gè)GNSS點(diǎn)作為導(dǎo)線起算點(diǎn)，觀測(cè)7個(gè)測(cè)站，觀測(cè)完成后進(jìn)行平差計(jì)算，并對(duì)導(dǎo)線的精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，導(dǎo)線網(wǎng)的最弱點(diǎn)為D7，其點(diǎn)位中誤差為8.828 mm，最弱相鄰點(diǎn)為D9－D8，其相對(duì)點(diǎn)位中誤差為8.334 mm，導(dǎo)線全長(zhǎng)相對(duì)閉合差為1/39 078。

2.3 水準(zhǔn)測(cè)量

將清涼山隧道內(nèi)和隧道口的導(dǎo)線點(diǎn)、GNSS點(diǎn)構(gòu)成獨(dú)立閉合環(huán)進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量，共聯(lián)測(cè)19個(gè)點(diǎn)，其中已知點(diǎn)1個(gè)、待測(cè)點(diǎn)18個(gè)。外業(yè)采用Leica DNA03按照四等水準(zhǔn)測(cè)量要求進(jìn)行觀測(cè)，內(nèi)業(yè)平差后高程網(wǎng)中的最弱點(diǎn)為D2，高程中誤差為3.0 mm，最弱相鄰點(diǎn)為D7－D6，相對(duì)點(diǎn)位中誤差為1.778 mm。

3 點(diǎn)云獲取與糾正

3.1 標(biāo)靶布設(shè)

隧道內(nèi)車流量大、交通繁忙、作業(yè)窗口時(shí)間短，因此標(biāo)靶布設(shè)以快速高效、低成本為依據(jù)，優(yōu)先選用隧道內(nèi)分布均勻、特征明顯的特征點(diǎn)作為控制標(biāo)靶。利用隧道內(nèi)道路標(biāo)線，將A7紙張（74 mm×105 mm）大小的不干膠貼于隧道標(biāo)線上，并約定紙張與標(biāo)線北交叉處為標(biāo)靶點(diǎn)位拾取位置。標(biāo)靶和特征點(diǎn)如圖4、5所示。

圖4 隧道內(nèi)的標(biāo)靶

圖5 隧道內(nèi)的特征點(diǎn)

采用控制標(biāo)靶對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行糾正時(shí)，為使點(diǎn)云精度分布均勻，將標(biāo)靶成對(duì)布設(shè)在隧道內(nèi)道路兩側(cè)。每條隧道均勻布設(shè)24對(duì)標(biāo)靶點(diǎn)，每對(duì)標(biāo)靶間隔50 m，隧道內(nèi)道路寬度為10 m。標(biāo)靶布設(shè)完成后，利用全站儀采集標(biāo)靶點(diǎn)和特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

3.2 移動(dòng)三維掃描數(shù)據(jù)解算

掃描完成后，下載基站數(shù)據(jù)和原始激光掃描數(shù)據(jù)，先利用Inertial Explorer軟件進(jìn)行POS解算，再利用CoPre軟件解算得到las格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。為直接解算得到地方坐標(biāo)系的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在CoPre軟件解算點(diǎn)云前，利用其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工具完成大地坐標(biāo)到投影坐標(biāo)的參數(shù)解算。采用GNSS網(wǎng)成果中均勻分布的5個(gè)點(diǎn)解算七參數(shù)，采用高斯投影方式、中央子午線118e50′， 東偏移量和北偏移量按地方坐標(biāo)系指定參數(shù)解算，并對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換殘差進(jìn)行分析。

如表2所示，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的殘差最大值為0.221 mm，說(shuō)明上述參數(shù)計(jì)算是正確可靠的。為了直觀驗(yàn)證七參數(shù)的轉(zhuǎn)換精度，將GNSS網(wǎng)成果中沒(méi)有用于參數(shù)計(jì)算的4個(gè)點(diǎn)通過(guò)該參數(shù)進(jìn)行解算，并將大地坐標(biāo)解算為投影坐標(biāo)，再與GNSS網(wǎng)成果表中的點(diǎn)位進(jìn)行比較。

表2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換殘差表/mm

如表3所示，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的平面較差最大值為0.024 m，高程較差最大值為0.024 m，能直觀驗(yàn)證該轉(zhuǎn)換參數(shù)的精度。將解算的七參數(shù)保存為tp格式的文件，在CoPre解算點(diǎn)云時(shí)加載該文件；再通過(guò)POS解算的WGS84坐標(biāo)和轉(zhuǎn)換參數(shù)直接解算得到地方坐標(biāo)系的點(diǎn)云成果。

表3 參數(shù)驗(yàn)證點(diǎn)位較差表/m

3.3 點(diǎn)云精度預(yù)判

對(duì)解算的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析和質(zhì)量評(píng)定對(duì)成果的應(yīng)用至關(guān)重要[7]。本文在利用Inertial Explorer軟件進(jìn)行POS解算時(shí)，選取IE正反解較差關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行點(diǎn)云精度預(yù)分析，橫坐標(biāo)GPS時(shí)間軸330400～330570 為移動(dòng)三維掃描系統(tǒng)進(jìn)入東隧道內(nèi)完全丟失衛(wèi)星信號(hào)的階段，如圖6所示，紅色為東西向誤差，綠色為南北向誤差，藍(lán)色為高程誤差。通過(guò)上述指標(biāo)可初步判斷，該路段點(diǎn)云精度較差，尤其是高程誤差較大。

圖6 Inertial Explorer IE正反解較差圖

3.4 點(diǎn)云糾正

CoPre軟件直接通過(guò)GNSS網(wǎng)和慣導(dǎo)解算點(diǎn)云，由于隧道內(nèi)GNSS連續(xù)失鎖，因此其精度較差。利用控制標(biāo)靶對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行糾正時(shí)，標(biāo)靶密度越大，對(duì)點(diǎn)云的糾正效果越好[7]，但標(biāo)靶的密度越高，布設(shè)、觀測(cè)標(biāo)靶的時(shí)間就越長(zhǎng)，與隧道內(nèi)較短的作業(yè)時(shí)間窗口形成矛盾，因此針對(duì)不同精度需求，選擇合適的控制標(biāo)靶布設(shè)方案具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[8]。為準(zhǔn)確描述GNSS完全失鎖時(shí)控制標(biāo)靶布設(shè)方案對(duì)點(diǎn)云糾正精度的影響，本文將東隧道布設(shè)的24對(duì)標(biāo)靶進(jìn)行分類，將北邊第一組標(biāo)靶定義為控制標(biāo)靶，第二組定義為檢查標(biāo)靶，以奇偶間隔的形式向南遞推定義標(biāo)靶，形成隧道內(nèi)每 100 m間隔一對(duì)控制標(biāo)靶、每100 m間隔一對(duì)檢查標(biāo)靶的點(diǎn)云糾正控制方案。在此基礎(chǔ)上，依次遞減控制標(biāo)靶數(shù)量，檢查標(biāo)靶位置和個(gè)數(shù)不變，如圖7所示，三角形為控制標(biāo)靶，圓形為檢查標(biāo)靶，制定出200 m、300 m、400 m、600 m控制標(biāo)靶間距的精度驗(yàn)證方案。

圖7 控制標(biāo)靶布設(shè)方案圖

按照上述控制標(biāo)靶布設(shè)方案，本文利用CoRefine軟件依次糾正原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，糾正過(guò)程采用三維約束控制模式。糾正后對(duì)檢查點(diǎn)進(jìn)行精度檢查，并對(duì)不同控制標(biāo)靶布設(shè)方案進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表4所示，可以看出，控制標(biāo)靶間距為100 m時(shí)，糾正后點(diǎn)云能達(dá)到5 cm左右的點(diǎn)位誤差，滿足了隧道高精度建模的需要。針對(duì)隧道不同數(shù)據(jù)采集的精度需求，參照 表4選擇合適的標(biāo)靶布設(shè)方案，能提高效率、節(jié)省時(shí)間、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)拓展移動(dòng)三維掃描的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[9]。

表4 控制標(biāo)靶間距與點(diǎn)云精度相關(guān)性分析表/m

4 結(jié) 語(yǔ)

1）在隧道內(nèi)使用移動(dòng)三維掃描系統(tǒng)，較之于使用站式掃描儀具有掃描速度快、無(wú)需測(cè)站拼接、降低勞動(dòng)強(qiáng)度等優(yōu)勢(shì)，能較好地克服隧道內(nèi)車流量大、作業(yè)窗口時(shí)間短等客觀條件的制約。

2）在小范圍工程測(cè)量GNSS網(wǎng)中，為提高內(nèi)符合精度，可以網(wǎng)中一點(diǎn)坐標(biāo)為起算點(diǎn)、一個(gè)方位角為起算方向進(jìn)行二維約束平差。起算數(shù)據(jù)假定為CORS直接采集的點(diǎn)坐標(biāo)成果，并通過(guò)CORS點(diǎn)坐標(biāo)與GNSS網(wǎng)平差成果的比較，證明獨(dú)立網(wǎng)的掛接精度可靠。

3）參考控制標(biāo)靶間距與點(diǎn)云精度相關(guān)性分析成果，設(shè)計(jì)合理的控制標(biāo)靶布設(shè)方案，在滿足精度需求的同時(shí)，能最大限度地減少工作量。為達(dá)到更好的精度預(yù)測(cè)效果，還需更多的樣本數(shù)據(jù)，并開(kāi)展更深入的研究。