一种新型高速公路改扩建勘测方法研究_付文群.pdf

运输经理世界道路工程与技术0引言随着经济社会的快速发展，中部地区高速公路的车流量日益增长，通车容量趋于饱和，迫切需要开展改扩建工作。在高速公路改扩建总体设计和平纵面拟合设计中，桥梁、隧道、互通立交、服务区等重要节点是平纵面拟合设计的关键控制因素，而原有路面平面及高程数据的精度将直接影响平纵面拟合设计中需要考虑的路面结构方案、桥梁路基的加宽方案，如果桥梁路段的高程数据不准确，将直接影响桥梁拼接的标高，同时由于桥面铺装的厚度变化也会影响原有桥梁的结构安全，因此，原有高速公路平面及高程数据是平纵面拟合设计的重要基础数据，是高速公路改扩建设计的重要前提，测量数据的精度将直接影响项目设计方案、工程质量和工程造价。此外，由于测区交通流量大、货车比例较高，如何在不中断交通的情况下，高精度、高效率地完成原有路面平纵面基础数据的采集成为相关研究人员亟待研究的新的重要课题。传统的勘测方法主要包括工程测量法和数码航空摄影测量法两种。然而，工程测量法需要外业测量人员在高速公路上作业，如果为保证安全临时封闭高速公路，则会对高速公路的运营造成较为严重的影响；如果不封闭，则测绘人员的作业安全难以保证，也容易引起次生灾害，存在极大的安全隐患；此外，工程测量法还存在成本高、工作量大、周期长和劳动强度大等诸多缺陷。传统数码航空摄影测量法，自动化程度较低，且提取的地形高程精度较差，不能满足交通设计部门2cm 的高程精度要求。因此，如何既保证勘测成果满足公路设计的要求，又能保证外业测量人员作业安全、不影响高速公路运营、缩短开发周期，成为相关研究人员亟待解决的问题。集成了三维激光雷达、IMU、GPS、全景相机等多种传感器的车载移动测量系统，能够在移动的过程中获取目标对象的激光点云数据，在内业解算过程中，基于 GPS 和 IMU 提供的位置、姿态数据以及各个传感器之间的严格标定参数，即可获得绝对坐标系下的激光点云。该移动测量系统具有测量速度快、精度高、激光点密度大、主动测量无须人员上路等优点，为高速公路改扩建勘测提供了一种新的可能。本文以 G45高速公路吉安至南康段改扩建工程为例进行研究，详细阐述了提高原有高速公路平面及高程数据精度的整体解决方案，并对采用该方案获得的数据精度进行了评定，可为同类型的高速公路改扩建勘测工程提供借鉴。1提高数据精度的整体解决方案提高原有高速公路平面及高程数据精度的主要措施为：采用车载移动测量的方式、选择合适的标靶形状及材质、调整标靶位置及间距、优化标靶的平面及高程的测量方式、校核测量等。整体解决方案为：在不封闭高速公路的情况下，在高速公路应急车道上布设地面标靶控制点，并获取其三维空间坐标，然后，进行车载移动测量，获取三维激光点云等数据，以地面标靶控制点坐标为参考，对解算后的激光点云进行数据处理，获取平面精度应优于5cm、高程精度优于2cm，最后，再从点云中提取高速公路设计所需的点线要素。1.1 测区概况测区为 G45 高速公路吉安至南康段，高速公路主一种新型高速公路改扩建勘测方法研究付文群1、李俊峰2（1.江西省交通设计研究院有限公司，江西 南昌 330052；2.宁波市测绘设计研究院，浙江 宁波 315042）摘 要：高速公路平面及高程数据精度在改扩建平纵面拟合设计中至关重要。为了解决传统测绘技术在高速公路改扩建勘测领域应用中存在的诸多问题，详细分析提高数据精度的整体解决方案，提供一种高速公路改扩建勘测方法车载移动测量，该方法可以提升作业的安全性，降低项目成本，缩短开发周期，提高产品的精度，试验结果满足点云高程精度优于2cm的高速公路设计要求，提出问题分析及优化措施，可为同类型的工程提供参考。关键词：高精度；车载移动测量；标靶；激光点云；改扩建中图分类号：U412.2文献标识码：A4运输经理世界道路工程与技术线单侧为两车道，共计 145km，作为国家高速公路网的南北大通道，测区交通流量大，现场通行的大货车数量比较多，有些路段存在分区养护的情况，所以只能单侧道路通行车辆，这就使得现场安全性受到影响；同时测量区域内有三个隧道，出口部位有峡谷地点，对于车载移动测量水平造成不利的影响，也会对系统的 GPS 信号接收产生影响。此外，在现场分布着比较多的灌木林、山地等，对于项目的信号采集产生负面影响。1.2 标靶形状及材质的选择为了满足车载激光点云高程精度要求，在现场的测量环节要按照规定间距布置标靶点，主要包含激光点云校正点与检查点。为了保证精度，地面标靶控制点样式应如图 1 所示，为了提高标靶点在点云中的识别度，保证在后期处理时拟合或者捕捉到的特征点尽可能准确，通过反复试验，最终选用地面标志反光漆作为标靶材质1。图 1 标靶点样式示意图1.3 标靶点布设地面标靶控制点沿高速公路两侧应急车道交错布设。标靶点应布设在地面平坦的位置，并尽可能布设在应急车道外沿，以保证作业人员安全。标靶控制点间距在主线、隧道进出口、匝道及互通、桥梁上分别设计为 300m、100m、100m、300m，且在桥梁的起止点必须布设标靶点，获取地面标靶控制点的三维空间坐标具体为：平面坐标采用 GPS RTK 测量方式，高程测量采用四等水准测量。现场观测工作应用三脚架，独立测量 2 次，两参数的偏差在3cm 以内，计算平均数得出最终结论。在高程计算分析中，以四等水准观测标准为基础进行。1.4 车载移动测量系统G45 高速公路吉安至南康段扫描拟采用的车载移动测量系统为 AS900，系统由面阵激光扫描仪、惯导IMU、GNSS、里程计和全景相机等传感器通过严格标定形成刚体，如图 2 所示，其主要技术参数指标如表 1所示。在开展数据采集之前，应对车载移动激光扫描设备进行检校，以保证各主要传感器之间的相对位置关系精确，从而保证原始数据的采集精度2。车载移动测量系统能够在车辆行进的过程中进行外业数据的获取，原始数据成果包括车载激光点云和全景影像等，其中，高速公路设计用数据成果主要通过车载激光点云提取。图 2 AS900 车载移动测量系统表 1 AS900 技术参数指标项目系统整体激光扫描系统定位定姿系统内 容绝对精度激光等级测量范围测量精度视场角扫描频率点云密度信号接收定向精度姿态精度陀螺量程陀螺零偏稳定性数据更新率指标水平5cm，垂直5cm1级920m10mm，重复精度5mm33010200 Hz550000点/m2GPS L1/L2、GLONASS L1/L2、北斗B1/B20.0170.005490/s0.05/hr200Hz1.5 车载移动测量系统数据获取车载移动测量系统数据获取主要包括基站架设、车载数据采集、POS 数据解算、激光点云预处理、激光点云精度校正五个内容。1.5.1基站架设基站架设工作主要是为了后期处理能够顺利进行。将基站和车载 GPS 系统联合，可进行数据解算与分析，通过系统消除存在的误差。在该工作进行中，要求单个基站覆盖区间在 5km 的圆形区域内，并且平面及高程精度合格，还要保证相邻的基站测量范围有所重叠，重叠范围也应符合要求。1.5.2车载数据采集采集环节的行驶速度控制在 30km/h 以内，车辆开启危险报警闪光灯，确保点云密集度和数量合格，以防止因为错车而形成的点云孔洞；移动测量环节，经 过 隧 道、峡 谷 等 地 区 的 信 号 部 位 时，需 要 静 止1min，以达到结构的精度标准要求。1.5.3POS 数据解算车载 POS 数据需要与 GPS 基站数据进行联合解5运输经理世界道路工程与技术算，解算利用 WayPoint 软件进行，数据处理分为四个部分：GPS 差分后处理、GPS 差分结果与惯导 IMU 数据耦合、耦合结果组合、RTS 平滑。1.5.4激光点云预处理定位工作开展前应加强系统的处理，将 IMU 与车载 GPS 分离设置，按照要求将分离出来的数据定位解算处理。在项目的应用中，双差分的定位方法应用较为广泛，在确定了坐标部位的架设顶面基站后，检测相应的误差，并对测量结果展开深入的分析，使用精密星历与钟差文件实现改正解算，得出最为精准的数据信息。在数据定位工作结束后，经过计算，掌握相应的 GPS 天线坐标信息，再计算得到激光扫描仪坐标数据信息。根据已经掌握的数据信息，形成完善的数据资料和体系。联合定位数据传输到软件内进行分析，利用激光扫描仪车载行迹文件，以明确各个激光点的坐标参数，掌握点云文件定向。1.5.5激光点云精度校正以地面标靶控制点的三维空间坐标为参考，通过构建无缝线性内插改正模型，根据无缝线性内插改正模型和地面标靶控制点的三维空间坐标实现车载地面点云的数据平差和精度优化，获取高精度车载地面点云。主要步骤包括：在专业数据处理软件环境中导入局部路段（点云分幅后的每个图幅对应的路段单元）的车载地面点云和地面标靶控制点的三维空间坐标从局部路段的车载地面点云中提取地面标靶控制点对应的点云集在点云集上获取地面标靶控制点对应的特征点三维坐标建立地面标靶控制点的三维空间坐标与特征点三维坐标之间的一一映射关系构建无缝线性内插改正模型。1.6 激光点云数据校正精度评定利用车载激光点云专用校正软件，在定向完成的点云中进行强度模式渲染，并在点云上查找外业布设的标靶，提取点云中的坐标与相应的外业坐标作差，每隔 300m 采集一个标靶点，通过三维点校正功能，得到校正后的 POS 数据，然后基于该数据解算获得校正后的激光点云数据。将未参与点云纠正的标靶控制点作为检查点，统计点云精度。在该案例中共使用了96 个均匀分布在测区的检测点，通过检测点与对应的激光点云坐标值作差，依此计算的平面中误差值为2cm（5cm）、高程中误差为0.9cm（2cm）。从评定结果可知，纠正后的车载地面点云平面精度优于5cm，高程精度优于2cm，满足高速公路改扩建勘测对已有路面高程的精度要求。1.7 从激光点云数据中提取特征点在激光点云内确定 6 条边线，直线路段内设定密度是 5m 一个线段，分别是左车道 2 条白实线，左车道1 条中央分道线，右车道 2 条白实线，右车道 1 条中央分道线。按照对称设计的要求确定外侧边线（见图3），通过提取获得的车道线点云数据按 5m 间隔获得特征点（见图 4），并进行检查与分析。图 3 车道线提取示意图图 4 基于车道线按 5m间隔提取的特征点2问题分析及优化措施2.1 扫描盲区处理措施由于在开展车载移动扫描时，并未封闭交通，因而在错车的过程中不可避免地存在扫描盲区，因而，在扫描过程中，扫描车应在应急车道以 30km/h 的速度行驶，遇到大型货车错车或者连续错车的情况，移动测量车应适当减速，以减小扫描盲区。同时，在扫描过程中应将主线及匝道规划成两次扫描，在前往匝道的途中，对主线进行二次扫描，以便增加激光点云的数据冗余度3。2.2 隧道、峡谷地带精度低移动测量在通过隧道、峡谷地带时应在信号良好且安全处静止 1min 以上以保证移动测量系统的测量精度。同时，应该在隧道进出口及峡谷区域增加校正点的密度，本文按照隧道进出口各 1km 内及峡谷地带按照每 100m 加设一个控制点的方案布设标靶点。3结语综上所述，本文提供一种新型高速公路改扩建勘测方法车载移动测量，通过布设一定数量的标靶点以纠正车载移动测量系统获取的激光点云数据，并通过检查点评定精度，最后得到平面精度优于5cm、高程精度优于2cm 的高程点供公路设计使用。同时，保证了外业测量人员作业安全，不影响改扩建高速公路通行，降低了项目开发成本，缩短了项目工期，提高了高速公路勘测的整体效率，彻底解决了传统高速公路改扩建勘测技术存在的缺点，在高速公路改扩建勘测领域具有很大的推广应用价值。参考文献：1李柏.利用移动三维激光测量系统进行公路竣工测量方法的研究J.测绘通报，2014（9）：94-96.2徐工，程效军.移动测量系统点云精度评定及应用分析J.工程勘察，2013（9）：42-46.3王璐.高速公路改扩建测绘项目勘测关键技术研究J.工程技术研究，2018（11）：72-73.作者简介：付文群（1973-），男，江西南昌人，本科，高级工程师，从事公路桥梁勘察设计工作6