一种激光雷达扫描测量平面坐标精密修正方法

专利名称：一种激光雷达扫描测量平面坐标精密修正方法
技术领域：
本发明涉及公路勘察设计技术领域，更具体涉及一种激光雷达扫描测量平面坐标精密修正方法，该方法可以大幅度提高激光雷达扫描测量的平面定位精度，可满足在不中断交通情况下的公路改扩建工程建设对既有道路精确的三维空间信息的需要。
背景技术：
公路及其附属结构等三维信息的精确获取是公路改扩建的重要前提。对于公路改扩建工程，为了最大限度地利用现有道路，实现桥梁、路基等构造物的精确拼接，相比于新建道路工程，其对测量精度有更高的要求。我国现有公路改扩建主要采用航空摄影测量辅之于GPS RTK测量和精密水准测量的方法，但该方法在效率、安全和成本等方面均难以适应日益增长的公路改扩建需求。如何在不中断交通的情况下，对现有公路安全、快速、经济地进行高精度测量，为公路改扩建提供精确、丰富和完整的信息支持，已成为公路改扩建的重要问题。激光雷达扫描测量技术集成了激光扫描器(LIDAR)、全球定位系统(GPS)、惯性导航系统(IMU)、数码影像(CCD)等先进的空间对地观测装备，可直接、快速获取各类地表状况下高精度三维空间信息，具有能穿透植被、信息丰富等优点，是一种快速度、低成本、大范围、高精度和高密度的先进测量技术。近年来，随着技术的不断进步，各种商用的机载/车载激光扫描器、定位定姿系统(P0Q等器件的精度越来越高。采用低空直升机机载激光扫描，或是车载激光扫描测量，可获取更为精确、密集的激光雷达点云。再辅之于一定数量的路面控制点，可以在不中断交通的情况下，快速、精确获取现有公路改扩建工程所需的三维空间信息。激光雷达扫描测量的显著优点是，其高程定位精度极高。与极高的高程定位精度相比，其平面定位精度往往要比高程精度低2 3倍。其相对较低的平面定位精度，直接影响了激光雷达扫描测量的成果应用。发明人于2010年08月31日申请，并于2011年8月17日取得授权的发明专利“一种基于机载激光测量的公路改扩建勘测方法(专利号ZL20101(^67006. 7) ”，其中采用了基于数字正射影像和车道标线进行激光点平面坐标精化处理的方法，该方法首先利用实测路面控制点对数字正射影像进行平面坐标修正，然后利用修正后的数字正射影像与提取的车道标线进行配准，从而计算出激光雷达点云数据的平移、旋转几何变换系数，最后利用计算出的系数对激光雷达点云数据进行平面坐标修正。该方法存在以下缺陷1)需要先行修正数字正射影像的平面坐标，并提取车道标线，然后对激光雷达点云数据的平面坐标进行修正处理，属间接修正，过程繁琐，效率低下；2)平面坐标修正后的数字正射影像，由于存在影像误差，将其用于激光雷达点云数据的平面坐标修正，影响激光雷达点云平面精度改善；3)必须依赖于高分辨率、高精度数字正射影像，条件相对苛刻，在没有数字正射影像的情况下，根本难以实施；
4)工作量大，用于处理的控制点多，需沿现有道路每侧Ikm布设1个路面控制点， 即沿路500m就有1个控制点，测绘工作量极大。

发明内容
本发明方法的目的是针对激光雷达扫描测量的平面定位精度相对较低，以及基于数字正射影像和车道标线进行激光雷达点云数据平面坐标精化处理方法存在的缺陷，提出了一种直接基于路面控制点进行激光雷达扫描测量平面坐标精密修正方法，方法易行，操作简便，可以提高激光雷达扫描测量的平面定位精度近2倍。为了达到上述目的，本发明采用如下技术措施一种激光雷达扫描测量平面坐标精密修正方法，其步骤如下1)控制标志设计与喷涂沿路线每侧4km布设1个控制标志，且尽量在公路左右两侧交错排列。控制标志形状为"τ"形或“+”形，每条边宽度为0. 15m，"τ"形标志长边长 1. 5m，短边长1. 0m，“+”形两条边长均为1. 5m。控制标志需具有对空视野好、反射能力强、色彩鲜明、反光度强的特点。控制标志以添加15% -23%反光玻璃珠的丙烯酸漆等白色溶剂型涂料，或由石油树脂、钛白粉、重体碳酸钙、二锌酯等组成的白色热熔型涂料为原料，采用机喷或手工涂刷的方式，喷涂于现有道路的硬路肩上。2)沿现有道路3km左右间隔寻找由两条直线相交形成的特征标志，对于直线宽约 0. 15m、长度不低于Im的两条直线以60° -120°大角度相交形成的交点、角点，直接选择用作控制点，如服务区停车场标线、道路减速带等。3)激光雷达扫描根据道路改扩建工程实际，确定激光雷达扫描测量方式。对于机载激光雷达扫描，要求激光雷达扫描点间距小于0. 20m,点密度高于25个/m2 ；对于车载激光雷达扫描，要求激光雷达扫描点间距小于0. 05m,点密度高于400个/m2。激光雷达扫描测量至少需覆盖现有道路中心线两侧各IOOm范围内。激光雷达扫描测量预处理成果的平面定位精度需优于0. 15m。4)控制点测量控制点的平面测量采用GPS静态定位测量，构成网状图形结构，测
量等级为四等。5)控制标志提取利用激光雷达点云数据的强度信息，采用人机交互的方式，精确提取控制标志的激光雷达点云数据平面位置。6)激光雷达点云平面坐标精密修正依据控制标志GPS测量成果、控制标志激光雷达点云提取成果，计算激光雷达点云数据的转换参数，并进行激光数据的平面坐标精确修正。与发明专利“一种基于机载激光测量的公路改扩建勘测方法(专利号 ZL201010267006. 7) ”中有关激光雷达扫描的平面坐标修正方法相比，本发明具有以下优占.1)精度高。该方法直接利用实测路面控制点进行激光雷达点云的平面坐标修正， 减少了通过数字正射影像和车道标线进行平面纠正产生的中间误差，精度得以大幅提高。 对比“一种基于机载激光测量的公路改扩建勘测方法(专利号ZL 201010267006. 7) ”，选取京港澳高速公路涿州(京冀界)至石家庄段改扩建工程约IOkm路段进行激光雷达扫描测量的平面坐标精密修正，并进行野外实测检验，对比结果见表1
表1激光雷达扫描测量平面定位精度对比表

权利要求
1. 一种激光雷达扫描测量平面坐标精密修正方法，其步骤是第一步、控制标志设计与喷涂(1)；在激光雷达扫描前，首先沿现有道路路面布设控制标志用作控制点，其具体布设方法如下a、控制标志的形状控制标志形状为丁形或+形，丁形控制标志每条边的宽度为 0. 15m，长边长1. 5m，短边长1. Om ；+形控制标志每条边的宽度为0. 15m，长度为1. 5m，控制标志中心两条斜线的交叉点即为控制点的中心位置；b、控制标志的布设沿现有道路路面每侧4km布设1个控制标志，在公路左右两侧硬路肩上交错排列，对于丁形控制标志，其布设形式为长边靠近护栏，离路缘石0. 20m,控制标志的布设位置应选择对空视野，其上无植被遮挡，附近无强磁场、高压线干扰，路面色差小的平坦位置；C、控制标志的喷涂采用添加15% -23%反光玻璃珠的丙烯酸漆，采用机喷或手工涂刷的方式，在指定位置喷涂上相应形状的控制标志；控制标志布设完成后直接转到第三步；第二步、特征标志选择O)，方法如下a、特征标志点位特征标志应选择在对空视野良好，其上无植被遮挡，附近无强磁场、 高压线干扰，路面色差小，特征标志所在地地表平坦位置；b、特征标志形状选择特征清晰的两条直线相交形成的交点、转角点，直线宽度以 0. 15m，直线最短长度为1.0m，两条直线需以大角度相交，交角介于60° -120° ；c、特征点分布沿现有道路每3km间隔选择1处特征标志，在公路左右两侧硬路肩上交错排列；d、特征标志选择特征标志现有道路的减速带与车道标线交叉处、服务区停车场标线角点；第三步、激光雷达扫描(3)，对于道路改扩建工程，选择直升机或者汽车为平台搭载激光扫描仪进行数据采集，方法如下a、激光雷达扫描方式根据道路改扩建工程的实际，确定激光雷达扫描方式，采用直升机搭载激光雷达设备沿现有道路中心线低空飞行进行激光雷达点云数据采集，或采用汽车搭载激光雷达设备沿现有道路采集激光雷达点云数据；b、坐标基准设计平面坐标为1980西安坐标系或者1%4北京坐标系或当地坐标系， 采用高斯投影，中央经线同工程测区基础控制选用的中央经线，GPS测量采用WGS84坐标基准，高程基准采用1985国家高程基准或其他高程基准；C、激光雷达扫描点间距对于机载激光雷达扫描，激光雷达扫描点分布均勻，点间距小于0. 20m,点密度高于25个/m2 ；对于车载激光雷达扫描，激光雷达扫描点分布均勻，点间距小于0. IOm,点密度高于100个/m2 ；d、激光雷达扫描宽度激光雷达扫描测量至少覆盖现有道路中心线两侧各IOOm范围内，对于互通枢纽，加宽激光雷达扫描数据采集范围；e、激光雷达点云数据预处理精度激光雷达扫描测量预处理成果的平面定位精度 0. 15m，相邻航带的激光雷达点云数据，接边处平面无错位、高程无高差；第四步、控制点测量G)，控制点的平面测量采用GPS静态定位测量，步骤如下a、测量方法控制点与测区四等控制网联测，GPS测量时，两台GPS接收机作为固定站， 设在四等控制网上，控制点与固定站构成三角形网；b、GPS观测GPS观测时，同时观测的有效卫星数彡4颗，卫星高度角彡15°，观测时间彡60分钟，⑶OP值< 6，数据采样率< 30秒，每点的平均重复设站数> 1. 6次；C、数据处理控制点与四等控制网进行整网平差计算，首先以基线向量网的三维无约束平差，进行二维基线向量网的坐标转换和与地面网的约束平差；d、测量精度控制点的平面测量等级为四等，其点位中误差不得大于士5cm，相邻点相对点位中误差不得大于士3cm，邻点边长相对中误差不得大于1/35000 ；第五步、控制标志提取(5)，利用TerraSolid软件对控制标志激光点进行识别，步骤如下a、首先分析控制标志激光点的激光回波强度值范围，确定阈值，利用TerraSolid软件的Terr^can模块中By Indensity分类功能提取出强度信息大于该阈值的激光点作为控制标志激光点的备选点；b、采用人机交互的方式，利用Microstation软件中的SmartLine工具勾画出每一个控制标志点"Γ形或+形标记的两条边的近似平面位置；C、使用步骤1中提取的备选点，利用TerraScan模块中Fit Linear Element功能对丁形或+形控制点的两条边线进行精确的拟合，拟合模型选为Smooth Curvature，参与拟合激光点到初始线条的平面容许误差设为0. 02m ；d、使用步骤3中拟合出的精确的两条边线求出其交点，作为激光雷达点云数据提取控制标志中心的平面坐标成果；第六步、激光雷达点云数据的平面坐标精密修正(6)，依据控制点GPS测量成果、控制标志激光雷达点云提取成果，对激光雷达点云进行精密修正，步骤如下a、激光雷达扫描数据分段处理沿道路方向将激光雷达扫描数据分段，每一段以 8km-10km，每段布设有3个控制标志，相邻分段之间至少1个共用点；b、转换参数计算激光雷达点云的平面坐标修正采用仿射变换方法进行修正处理，采用以下公式激光雷达点云数据的平面转换参数X = ax0+by0+dx(1)Y = cx0+dy0+dy式中X，Y—控制点GPS测量平面坐标； X0, Y0——控制点激光雷达点云提取平面坐标； a, b，c, d，dx, dy——仿射变换参数；激光雷达点云平面坐标修正利用步骤2中计算的系数，依照公式(1)对激光雷达点云的平面坐标代入，通过仿射变换，计算得到精密修正后的激光雷达点云坐标。
全文摘要
本发明公开了一种激光雷达扫描测量平面坐标精密修正方法，其步骤a、控制标志设计与喷涂沿路线布设控制标志，在公路两侧交错排列。b、现有道路沿线存在两条直线相交形成的特征标志，选择控制点。C、激光雷达扫描确定激光雷达扫描测量方式。d、控制点测量控制点平面测量采用GPS静态定位测量，构成网状结构。e、控制标志提取利用激光雷达点云数据的信息，精确提取控制标志的激光雷达点云数据平面位置。f、激光雷达点云平面坐标精密修正依据控制点GPS测量成果、控制标志激光雷达点云提取成果，进行激光数据的平面坐标精确处理。方法易行，操作简便，精度高，成本低，效率高，适合道路改扩建激光雷达扫描测量的平面坐标精密修正处理。
文档编号G01S17/06GK102518028SQ20111032771
公开日2012年6月27日 申请日期2011年10月25日 优先权日2011年10月25日
发明者余绍淮, 余飞, 张霄, 明洋, 李海亮, 王丽园, 赵喜安, 陈楚江 申请人:中交第二公路勘察设计研究院有限公司