車載激光雷達(dá)移動(dòng)測(cè)繪系統(tǒng)在高精度地圖采集中的應(yīng)用

宋鶴寧 刁淑然

(1. 沐城測(cè)繪(北京)有限公司, 北京 100102;2. 北京誠(chéng)易達(dá)通測(cè)繪所, 北京 100102)

0 引言

隨著智能導(dǎo)航、自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展,高精度導(dǎo)航地圖的采集愈發(fā)關(guān)鍵,對(duì)于自動(dòng)駕駛來(lái)說,高精度導(dǎo)航地圖就是核心大腦。其采集方法多種多樣,可以通過傳統(tǒng)測(cè)繪的方式也可以通過三維掃描的方式獲取,但作業(yè)效率很低。隨著互聯(lián)網(wǎng)地圖服務(wù)、智慧城市建設(shè)、智能導(dǎo)航的發(fā)展,對(duì)數(shù)據(jù)獲取提出了新的要求——既要快速全面獲取高精度高分辨率地理信息,又要對(duì)地理信息進(jìn)行及時(shí)、動(dòng)態(tài)、自主更新,傳統(tǒng)的數(shù)字化測(cè)量工具和手段很難滿足該需求。目前激光測(cè)量技術(shù)在測(cè)繪工作中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,其獨(dú)特的直接獲取目標(biāo)物體三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特點(diǎn),與傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。

國(guó)內(nèi)最早研究高精度地圖的是百度,目前越來(lái)越多的企業(yè)開始進(jìn)行高精度地圖的布局,如四維圖新、高德、滴滴出行、中海庭、魔門塔、寬凳智云、江蘇晶眾、智途科技、華為等。通過高精度地圖采集車和編輯平臺(tái),目前可生產(chǎn)出絕對(duì)精度20 cm的地圖數(shù)據(jù),整體處于準(zhǔn)備量產(chǎn)階段。不同于地圖廠商,寬凳科技、滴滴出行(桔視系統(tǒng))在數(shù)據(jù)采集上引入眾包模式進(jìn)行高精度地圖采集。

從行業(yè)發(fā)展來(lái)看,由于技術(shù)壁壘和資金壁壘較高,截至2020年3月,我國(guó)具備導(dǎo)航電子地圖甲級(jí)測(cè)繪資質(zhì)企業(yè)僅22家,2020年和2021年獲得資質(zhì)批準(zhǔn)的為3家,分別是沈陽(yáng)美行科技有限公司、中交宇科(北京)空間信息技術(shù)有限公司、北京航天宏圖信息技術(shù)股份有限公司。技術(shù)相對(duì)領(lǐng)先的主要有三家公司,四維圖新、高德和百度,基本完成我國(guó)30多萬(wàn)km高速公路和城市快速路的地圖采集工作。

車載雷達(dá)移動(dòng)測(cè)量技術(shù)是當(dāng)今測(cè)繪界最前沿的科技之一,采用激光雷達(dá)技術(shù)和全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)/慣性測(cè)量單元(inertial measurement unit,IMU)組合導(dǎo)航定位技術(shù),具有高效率和高精度的特點(diǎn)。目前業(yè)內(nèi)做自動(dòng)駕駛的行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)都在采用車載激光雷達(dá)移動(dòng)采集系統(tǒng)作為高精度導(dǎo)航地圖(車道級(jí)道路底圖)的首選采集方式,例如，高德、百度、四維圖新、易圖通等傳統(tǒng)圖商,此外還有華為、滴滴、京東、美團(tuán)、順豐、中海庭等企業(yè)。而車道級(jí)道路底圖是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵所在,由于普通地圖的導(dǎo)航定位精確度在5 m左右,完全不能滿足自動(dòng)駕駛的需求。高精度導(dǎo)航地圖憑借“高精”的特性,可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)精確定位,是自動(dòng)駕駛車輛的重要組成部分。通過車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)融合后得到的三維點(diǎn)云,并繪制道路底圖,可以得到所需要的車道級(jí)道路底圖,可作為無(wú)人駕駛汽車的導(dǎo)航依據(jù)。本文將通過車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)獲取激光點(diǎn)云數(shù)據(jù),并以此為基礎(chǔ)制作高精度地圖數(shù)據(jù),為同類型的測(cè)繪工程提供借鑒。

1 車載激光雷達(dá)移動(dòng)測(cè)繪系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

1.1 激光雷達(dá)測(cè)繪系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)

相比傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù),激光雷達(dá)在測(cè)量方式和測(cè)量成果方面均有新的技術(shù)革新,可以獲取精準(zhǔn)的三維坐標(biāo),不再需要通過數(shù)字?jǐn)z影去獲得相應(yīng)的影像,因此就簡(jiǎn)化了整個(gè)測(cè)繪工作的內(nèi)容,同時(shí)也保證相應(yīng)的要求,從而降低了相應(yīng)的工作成本。主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)是效率高、點(diǎn)云密度大、測(cè)量精度高、主動(dòng)式測(cè)量、外業(yè)工作量低、具有多回波技術(shù)等。激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)是一種比較先進(jìn)的測(cè)繪手段,其在測(cè)繪工作中發(fā)揮著巨大的作用和優(yōu)勢(shì)。車載激光雷達(dá)移動(dòng)測(cè)繪系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢(shì):

(1) 全天候作業(yè),測(cè)繪速度快,安全操作,應(yīng)用范圍廣泛;

(2) 激光點(diǎn)云數(shù)學(xué)精度高、采集密度大,數(shù)據(jù)非常詳細(xì),可獲得高精度地物表面點(diǎn)云信息和高清影像數(shù)據(jù);

(3) 非接觸性主動(dòng)測(cè)量,抗干擾性強(qiáng),附加的測(cè)量信息多,如影像、色彩等;

(4) 激光點(diǎn)云穿透性強(qiáng),穿透植被直達(dá)地面,精確高速的數(shù)據(jù)捕獲、減少數(shù)據(jù)采集和分析的回轉(zhuǎn)次數(shù);

(5) 一次掃描后可以在點(diǎn)云模型上進(jìn)行反復(fù)的“模型測(cè)繪”,成圖周期短。

1.2 車載激光雷達(dá)測(cè)繪系統(tǒng)的缺點(diǎn)

(1) 系統(tǒng)平臺(tái)集成成本高,對(duì)于中小企業(yè)來(lái)說是相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān);

(2) 對(duì)于路面的測(cè)量要求車載激光雷達(dá)測(cè)繪系統(tǒng)可以滿足,但是對(duì)邊皮外側(cè)區(qū)域存在盲區(qū);

(3) 由于車輛的限制,車載激光雷達(dá)測(cè)繪系統(tǒng)相比機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪系統(tǒng)有較大限制。

2 車載三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理

2.1 系統(tǒng)集成

本項(xiàng)目中使用的車載三維激光掃描系統(tǒng)是由上海華測(cè)導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司開發(fā)研制,如圖1所示,以帶車頂行李架的越野車為平臺(tái),集成安裝了1臺(tái)奧地利瑞格(RIEGL)公司的激光掃描儀VUX-1HA(參數(shù)如表1)、1臺(tái)Ladybug5全景相機(jī)、1臺(tái)霍尼韋爾4 930慣性導(dǎo)航設(shè)備。

表1 RIEGL VUX-1HA參數(shù)

圖1 車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)集成平臺(tái)

2.2 基站設(shè)置

方案1：架設(shè)靜態(tài)GPS基站,為保證移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)精度,在測(cè)量過程中單個(gè)基站覆蓋的范圍不應(yīng)超過半徑為10 km的區(qū)域。

方案2：免基站技術(shù),采用千尋位置或者系統(tǒng)集成商提供的免基站服務(wù),在采集外業(yè)開始前提交測(cè)區(qū)范圍文件獲取免基站服務(wù)的虛擬基站位置及作業(yè)時(shí)間段。

2.3 工作原理

激光掃描系統(tǒng)：通過高速激光掃描測(cè)量的方法,直接獲取高精度的數(shù)字表面模型,還可以同時(shí)獲取回波、強(qiáng)度等數(shù)據(jù)為目標(biāo)識(shí)別、分類提供輔助數(shù)據(jù),由此快速?gòu)?fù)建出被測(cè)目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù),車載激光測(cè)繪技術(shù)在進(jìn)行實(shí)際測(cè)繪應(yīng)用中,主要是通過激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)繪實(shí)現(xiàn)的;

定位定姿系統(tǒng)(position orientation system,POS)：用于獲取激光雷達(dá)的空間位置與姿態(tài),還可以提供精確的時(shí)間基準(zhǔn);

相機(jī)系統(tǒng)：獲取車輛行駛軌跡周邊的彩色數(shù)碼影像;

同步存儲(chǔ)控制系統(tǒng)：用來(lái)實(shí)現(xiàn)激光掃描系統(tǒng)、POS系統(tǒng)(GPS/IMU)、相機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步采集及存儲(chǔ)等功能。

車載激光雷達(dá)移動(dòng)測(cè)繪系統(tǒng)的傳感器被固定在移動(dòng)平臺(tái)上,通過設(shè)備無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)(WiFi)連接平板電腦,通過平板電腦安裝的同步控制系統(tǒng)觸發(fā)脈沖,保證所有傳感器與平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)同步進(jìn)行采集與存儲(chǔ),從而實(shí)現(xiàn)三維點(diǎn)云信息和影像信息的快速獲取。各子系統(tǒng)關(guān)系如圖2所示。圖中時(shí)間流與數(shù)據(jù)流是車輛在同一位置的時(shí)間與三維數(shù)據(jù)唯一對(duì)應(yīng)的信息,是數(shù)據(jù)預(yù)處理中點(diǎn)云解算的依據(jù),通過解算獲取車輛在任意時(shí)間對(duì)應(yīng)的三維信息。

圖2 車載激光雷達(dá)移動(dòng)測(cè)繪系統(tǒng)關(guān)系

2.4 移動(dòng)平臺(tái)速度計(jì)算

系統(tǒng)激光雷達(dá)的標(biāo)定線掃速度為250線/s(可調(diào)節(jié)),則采集兩線的時(shí)間為0.004 s,按采集需求線間距最大為10 cm,則車速為3 600/0.004×0.000 1=90 km/h。如設(shè)置線掃速度為200線/s,則車速不得大于72 km/h。

3 高精度地圖采集要求

(1) 多車道道路每條車道都覆蓋,建議高速路為2車道時(shí)車輛行駛外側(cè)車道,高速路為3車道時(shí)車輛行駛中間車道;

(2) 高速收費(fèi)站優(yōu)先采集中間位置ETC通道;

(3) 考慮軟件運(yùn)行原因,單條軌跡長(zhǎng)度不超過200 km;

(4)點(diǎn)云絕對(duì)精度：

①一級(jí)精度(平原地區(qū))：平面精度5 cm，高程精度10 cm；

②二級(jí)精度(山區(qū))：平面精度10 cm，高程精度20 cm；

(5)點(diǎn)云密度要求：

①縱向密度(車輛行駛方向)：小于等于10 cm；

②橫向密度(垂直行駛方向)：小于等于2 cm；立面密度：小于等于10 cm；

(6) 高速和城市快速路等封閉道路的分歧和合流前后的導(dǎo)流帶頭尾不能有空洞,直線位置空洞小于80 m,彎道匝道空洞小于20 m;

(7) 影像密度不超過25 m/張,時(shí)間觸發(fā)時(shí)保持1 s/張,單張影像分辨率大于300萬(wàn)像素。

4 高精度地圖測(cè)繪

本項(xiàng)目測(cè)繪范圍為東五環(huán)(廣澤橋-七棵樹橋)雙向車道,單向?yàn)?車道,車流量大,對(duì)外業(yè)采集有一定影響,盡量避免與其他社會(huì)車輛并排行駛。車載激光雷達(dá)移動(dòng)測(cè)繪系統(tǒng)工作流程主要包括準(zhǔn)備階段、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)后處理等,如圖3所示。

4.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集外業(yè)開始前,提交免基站服務(wù)申請(qǐng),使整個(gè)外業(yè)采集時(shí)間包含在免基站服務(wù)的時(shí)段內(nèi),安裝設(shè)備時(shí),設(shè)備架拉出的長(zhǎng)度與標(biāo)定設(shè)備參數(shù)時(shí)的長(zhǎng)度一致,可在設(shè)備架上不同位置做標(biāo)記,初始化設(shè)置主要是使激光雷達(dá)和慣導(dǎo)進(jìn)行初始化,具備工作條件。采集開始前開啟設(shè)備后靜置5 min,禁止開關(guān)車門等引起車輛震動(dòng)的操作,然后車輛進(jìn)行“8字”行駛3 min,在結(jié)束采集前需要靜置5 min再關(guān)閉設(shè)備。

正式采集開始前檢查車輛狀況是否正常,激光雷達(dá)和全景相機(jī)是否處于工作狀態(tài),車輪編碼器安裝是否牢固,在進(jìn)入測(cè)區(qū)200 m前開始采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。車輛采集時(shí)行駛速度不超過60 km/h,保證點(diǎn)云的密度,盡可能減少因車輛并排行駛造成的點(diǎn)云空洞。

圖3 車載移動(dòng)測(cè)繪系統(tǒng)工作流程

4.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)處理原理：采集系統(tǒng)基于激光雷達(dá)獲取距離、位置、姿態(tài)等原始數(shù)據(jù)生成滿足設(shè)計(jì)精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù),由于激光雷達(dá)的采集頻率遠(yuǎn)高于GPS和IMU傳感器,而數(shù)據(jù)處理需要得到任意時(shí)刻激光波束的姿態(tài)信息和空間位置信息。用時(shí)間來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn),結(jié)合回波距離、掃描角度信息,可準(zhǔn)確求得點(diǎn)云三維坐標(biāo),并將掃描坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系下。

點(diǎn)云解算流程：使用Inertial Explorer軟件(簡(jiǎn)稱IE)進(jìn)行點(diǎn)云軌跡解算,Inertial Explorer軟件用于處理高精度POS數(shù)據(jù),解算速度快,數(shù)據(jù)精度高,是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的最優(yōu)秀的POS數(shù)據(jù)處理軟件之一。車載POS數(shù)據(jù)包括GPS數(shù)據(jù)和慣導(dǎo)IMU數(shù)據(jù),先將基站和移動(dòng)站數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GPB格式文件,之后需要添加Master基站數(shù)據(jù)、Remote移動(dòng)站數(shù)據(jù)以及IMU慣導(dǎo)數(shù)據(jù),進(jìn)行GPS/INS組合解算緊耦合處理,得到高精度的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)。下一步使用CoPre軟件進(jìn)行點(diǎn)云解算,包括點(diǎn)云初計(jì)算、精度檢查、點(diǎn)云/軌跡修正等。CoPre軟件是華測(cè)自主研發(fā)的數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件,其主要功能包括點(diǎn)云解算、照片整理、點(diǎn)云著色、全景拼接、深度圖生成、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)

4.3 提取車道線

依據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取道路邊線、車道線、應(yīng)急車道線,依據(jù)實(shí)際道路標(biāo)記線劃出虛線、實(shí)線,如圖5所示。

圖5 車道線提取

4.4 精度評(píng)定

移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的點(diǎn)云精度將主要由全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定位誤差、激光測(cè)距誤差和POS姿態(tài)角誤差決定。本項(xiàng)目使用千尋云跡賬號(hào)在道路分歧路口的明顯道路標(biāo)記線或?qū)Я骶€處設(shè)置驗(yàn)測(cè)點(diǎn)共12個(gè),使用華測(cè)i90慣導(dǎo)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)(real-time kinematic，RTK)對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行施測(cè),如圖6所示。通過檢查點(diǎn)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比,依計(jì)算的平面中誤差為±3.6 cm(≤±5 cm)、高程中誤差為±5.2 cm(≤±10 cm)?！盾囕d移動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)規(guī)范》(CH/T 6003—2016)中規(guī)定,車載激光點(diǎn)云點(diǎn)位精度及高程精度分別是：特級(jí)0.05、0.02 m;Ⅰ級(jí) 0.1、0.05 m;Ⅱ級(jí)0.3、0.2 m;Ⅲ級(jí)0.5、0.3 m?？梢姳卷?xiàng)目點(diǎn)云精度達(dá)到Ⅱ級(jí)精度要求。

圖6 驗(yàn)測(cè)點(diǎn)選取

5 結(jié)束語(yǔ)

激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)在我國(guó)的各個(gè)行業(yè)都被廣泛運(yùn)用,如基礎(chǔ)測(cè)繪項(xiàng)目、精密測(cè)繪項(xiàng)目、礦山測(cè)繪、森林植被、城市規(guī)劃、電力管網(wǎng)調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)等。通過實(shí)際項(xiàng)目分析,車載激光雷達(dá)移動(dòng)測(cè)繪系統(tǒng)具有全天候、非接觸、測(cè)繪速度快等優(yōu)點(diǎn),使用此系統(tǒng)采集高精度導(dǎo)航地圖是最方便、最快捷、最高效的方式,即提供了高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)又能提供全景影像,具有高密度、高精度、高效率、低人工成本的特點(diǎn)。但個(gè)人認(rèn)為系統(tǒng)仍有弊端,如系統(tǒng)初始化的“8”字行駛,在實(shí)際操作中很難有場(chǎng)地提供此操作,存在交通安全隱患,且存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量巨大,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)不能長(zhǎng)時(shí)間有效工作,點(diǎn)云處理軟件不通用等。相信隨著技術(shù)水平的提高,車載激光雷達(dá)移動(dòng)測(cè)繪系統(tǒng)會(huì)解決以上問題,會(huì)應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域。