車載LiDAR在智能化全息測(cè)繪中的應(yīng)用

　　摘  要：研究了車載 LiDAR 在智能化全息測(cè)繪中的應(yīng)用，得到了道路紅線范圍內(nèi)的高精度全要素三維地形數(shù)據(jù)，為精細(xì)化城市管理提供了新的技術(shù)手段。

　　本文源自地理空間信息 發(fā)表時(shí)間：2021-02-25《地理空間信息》雜志，于2003年經(jīng)國(guó)家新聞出版總署批準(zhǔn)正式創(chuàng)刊，CN:42-1692/P，本刊在國(guó)內(nèi)外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時(shí)效性強(qiáng)的特點(diǎn)，其中主要欄目有：3S技術(shù)、測(cè)繪工程、測(cè)量?jī)x器等。

　　關(guān)鍵詞：車載 LiDAR;全要素地形數(shù)據(jù);智能化;精細(xì)化

　　智能化全息測(cè)繪是以地理信息服務(wù)精細(xì)化、精確化、真實(shí)化、智能化為目標(biāo)，利用傾斜攝影、激光掃描等傳感技術(shù)獲取全息地理實(shí)體要素，通過深度學(xué)習(xí)等 AI 技術(shù)自動(dòng)半自動(dòng)化提取建立地理實(shí)體的矢量、三維模型數(shù)據(jù)，并結(jié)合調(diào)繪充實(shí)各地理實(shí)體的社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(shí)體三維地理數(shù)據(jù)，為智慧社會(huì)提供全空間的地理信息服務(wù)[1-3] 。

　　傳統(tǒng)的外野測(cè)圖勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高、周期長(zhǎng)、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(biāo)，滿足不了數(shù)字城市建設(shè)對(duì)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(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)我們可以做到對(duì)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(xì)、更實(shí)時(shí)、更真實(shí)[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(jī)、慣性導(dǎo)航單元 IMU、GPS 定位系統(tǒng)和里程計(jì) DMI 等組成，系統(tǒng)集成度高、測(cè)量精度高且可多平臺(tái)安放。車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在工作時(shí)，GPS 為各類傳感器提供統(tǒng)一的時(shí)間系統(tǒng)，測(cè)量車在行駛過程中的實(shí)時(shí)位置也通過 GPS 來獲取。全景相機(jī)在作業(yè)過程中，主要負(fù)責(zé)記錄道路兩側(cè)的街景影像數(shù)據(jù)，同時(shí)激光掃描儀與大地坐標(biāo)系 X、Y、Z 三個(gè)方向的夾角(橫滾角、俯仰角、航向角)由 IMU 實(shí)時(shí)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(biāo)點(diǎn)在大地坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)值。當(dāng)每個(gè)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(jìn)行相應(yīng)的處理后融合得到彩色三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

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

　　2 車載數(shù)據(jù)采集與處理

　　2.1 測(cè)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(yù)為中國(guó)硅谷，是上海市浦東新區(qū)重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域之一。測(cè)區(qū)內(nèi)交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)，道路紅線范圍內(nèi)地理要素種類齊全，具有較強(qiáng)的代表性。

　　2.2 前期準(zhǔn)備

　　數(shù)據(jù)采集前宜收集施測(cè)及鄰近區(qū)域的正射影像、大地測(cè)量資料，了解測(cè)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(cè)及鄰近區(qū)域的道路通行情況，對(duì)不熟悉的測(cè)區(qū)進(jìn)行實(shí)地踏勘。糾正點(diǎn)布設(shè)，糾正點(diǎn)宜沿道路進(jìn)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(biāo)線(如停車線、標(biāo)識(shí)、分隔線外角等特征點(diǎn))，檢查點(diǎn)布設(shè)，檢查點(diǎn)宜布設(shè)在相鄰糾正點(diǎn)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(jìn)行設(shè)備的調(diào)試與 GNSS 基站的架設(shè)。慣性測(cè)量裝置的初始化應(yīng)采用靜態(tài)觀測(cè)等方式進(jìn)行，初始化時(shí) 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(diǎn)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(shí)景影像采集時(shí)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(cè)區(qū)域最近的 GNSS 基站數(shù)據(jù)與 IMU 數(shù)據(jù)通過 IE 進(jìn)行組合導(dǎo)航計(jì)算得到 POST 文件。利用 POST 文件提供的時(shí)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(diǎn)云數(shù)據(jù)、全景影像數(shù)據(jù)的解算。點(diǎn)云解算時(shí)對(duì)其進(jìn)行距離濾波，本項(xiàng)目選擇的濾波距離為 50 m，減小了后期點(diǎn)云處理的數(shù)據(jù)量與復(fù)雜程度。在 GNSS 衛(wèi)星信號(hào)較差或失鎖的區(qū)域，結(jié)合糾正點(diǎn)和點(diǎn)云糾正軟件 CoRefine 提升定位測(cè)姿數(shù)據(jù)的精度，以獲取高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，本項(xiàng)目中點(diǎn)云的平面和高程精度都控制在 5 cm 之內(nèi)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算完成之后，使用檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)與點(diǎn)云點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析并統(tǒng)計(jì)精度情況，由此判斷生產(chǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是否滿足項(xiàng)目所要求的精度，通過驗(yàn)證后方可進(jìn)入下一步處理環(huán)節(jié)。

　　高精度的點(diǎn)云獲取完成之后，本項(xiàng)目結(jié)合全自動(dòng)、半自動(dòng)化的方法對(duì)紅線范圍內(nèi)的所有地物進(jìn)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(shí)際的三維位置。主要要素包括道路邊界、道路標(biāo)線、交通信號(hào)燈、交通標(biāo)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(diǎn)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(duì)采集的地理要素根據(jù)其在經(jīng)濟(jì)社會(huì)中承擔(dān)的角色增加了各自的社會(huì)經(jīng)濟(jì)屬性，為精細(xì)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。

　　3 成果精度與分析

　　為驗(yàn)證全要素地形圖成果的進(jìn)度，在階段性成果中挑選了 2 km2 的數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。平面精度驗(yàn)證使用 RTK 布控，全站儀實(shí)測(cè)的方法。高程精度驗(yàn)證采用水準(zhǔn)儀實(shí)測(cè)和三角高程實(shí)測(cè)的方法，共采集了平面點(diǎn) 1 716 個(gè)，高程點(diǎn) 294 個(gè)。平面、高程精度統(tǒng)計(jì)表如下，其中平面精度主要按地物類別統(tǒng)計(jì)，高程精度按地物精度等級(jí)統(tǒng)計(jì)，一級(jí)主要包括城市道路，二級(jí)主要包括交通及附屬設(shè)施，三級(jí)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(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。

　　4 結(jié)　語

　　相比于傳統(tǒng)的地形圖，全要素地形圖實(shí)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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(huì)對(duì)三維地理信息日益增長(zhǎng)的需求。隨著智慧城市的不斷推進(jìn)，全要素地形圖成果的應(yīng)用需求也會(huì)越來越廣泛，如自動(dòng)駕駛高精度地圖、城市精細(xì)化管理等方面都會(huì)產(chǎn)生巨大的價(jià)值。