CN111896938A - 一种车载激光雷达扫描靶标布设及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载激光雷达扫描靶标布设及测量方法，包括以下步骤：（1）靶标形状与规格的确定；（2）测标布设；（3）靶标控制点测量；（4）靶标平面控制测量；（5）靶标高程控制测量。本发明与现有技术相比的优点是：（1）靶标布设密度降低30%，工作效率提升40%；（2）解决了上、下行分离式扫描精度不一致的难题,提高了点云数据的可靠性；（3）开展新技术和新工艺研究，构建高速、高效的测绘生产体系，有效提升高速公路改扩建测绘生产能力，实现路面点云平面位置中误差优于±3cm、高程中误差优于±2cm的超高精度要求。

Description

一种车载激光雷达扫描靶标布设及测量方法

技术领域

本发明涉及测量方法，尤其涉及一种车载激光雷达扫描靶标布设及测量方法。

背景技术

采用车载移动测量技术可以获取近距离超高精度、超高密度的点云数据，特别是在高速公路改扩建领域，其优势较为明显，扫描速度快，安全性高。但仍存在以下不足之处：

1.靶标布设辅助测量工作量大，作业安全风险高：通过靶标控制点纠正点云数据是车载雷达扫描必备工序，而靶标点布设密度、规格和测量方法缺少相关规范标准的指导和作业依据，理论上靶标点越密点云数据精度越高、可靠性越高，但是辅助测量工作量就越高，路面作业施工风险越高，作业成本也越高，如何确定具有最优性价比的靶标布设与测量方案具有重要的意义。

2.为获得完整的路面信息，车载激光雷达扫描设备需要在高速公路上、下行车道分幅式扫描，受测量误差影响，分幅式扫描点云数据容易存在不共面现象，为降低影响，必须采取适当的控制措施消除这一影响，保证分幅式扫描点云数据共面（即保证重叠数据高程精度优于±2cm）。

因此，研发一种车载激光雷达扫描靶标布设及测量方法，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明为了解决现有技术的上述不足，提供了一种车载激光雷达扫描靶标布设及测量方法。

本发明的上述目的通过以下的技术方案来实现：一种车载激光雷达扫描靶标布设及测量方法，包括以下步骤：

（1）靶标形状与规格的确定：60cm*60cm见方，呈上下两个顶点相对且相连接的三角形形状；

（2）测标布设：

A.材料选用：选用公路划线漆，颜色可以白色或红色，以醒目颜色为主，采用制作模具、人工均匀涂刷方式敷设；

B.测标设置：应布设在高速公路两侧应急车道内平坦路面上，尽量避开低洼，突起，有车辙及坡度较大或突变的路面，且测标轴线平行于道路边线；遇到桥涵时，尽量选在桥面伸缩缝处，测标间距 100 米左右，双向交叉布置，边缘距道路边线 0.5 米以上；测标要清晰，易于激光点云的识别；

C.测标编号：测标设置后，按自然序号编取，按道路上、下行方向取“Z、Y”为首字母，例Y0001、Y0002、Y0003……如图2所示；

（3）靶标控制点测量：

A.考虑到各种误差影响，必须保证靶标控制点具有较高的测绘精度，这是实现车载激光雷达扫描点云高程精度优于2cm的前提条件；结合高速公路改扩建前期布设的首级GPS平面控制网和水准网资料（平面为D级GPS控制网，高程为三等水准，高等级控制点点位密度1Km/座），采用GPS RTK测量定位技术和水准测量技术相结合的方式分别获取靶标控制点平面和高程坐标；

B.技术指标：采用GPS RTK设备测绘靶标中心点平面坐标（图根点精度，相对起算点平面中误差小于2cm），采用电子水准仪测绘靶标中心点高程（四等水准精度：每千米偶然中误差5.0mm，每千米全中误差10mm）；

（4）靶标平面控制测量：

A.采用GPS基准站模式测量测标中心平面坐标。首先利用周边基础控制点的测量成果求解转换参数，转换精度≤10mm，控制点应包含整个作业区域；然后在作业区间内选定 1个基础控制点架设好 GPS基准站，再利用 GPS 流动站检核附近 2个以上基础控制点，满足限差要求开始进行测量；

B.GPS RTK流动站应架设三脚架进行整平、对中，并固定流动站高度；每个平面控制点要独立观测两次，每次测量时间不少于 30 秒，两次观测间隔不小于 2 小时；两次平面坐标差值不应超过3cm，取其平均值作为最终成果；

C.GPS RTK流动站距基站要求小于3km，测量时保证每个点都是固定解，且GDOP≤5、卫星高度角≥15°，GPS RTK最终测量结果平面精度不低于3cm；

（5）靶标高程控制测量：

A.路面测标的高程控制测量采用四等水准附合路线方式进行，路线长度不宜大于6km；并进行往返测量。附合路线及往返测限差应不超过±20√L（L 为路线长度，单位为km）；超限必须重测；

B.因测站观测误差超限，在本站检查发现后可立即重测。若迁站后才检查发现，则应从水准点或间歇点（应经检测符合限差）起始，重新观测；

C.水准观测采用 DNA03型电子水准仪，与之相配套的条码水准标尺，直接自动读数测量；水准仪每天检校一次i角，作业开始后的7个工作日内，若i角较为稳定，以后每隔15天检校一次；

D.四等水准采用尺台作转点尺承，尺台质量不小于1kg，观测应在标尺分划线成像稳定时进行，若成像欠佳，应酌情缩短视线长度，直至成像清晰稳定；

E.观测顺序为“后-后-前-前”；观测时可以直读距离，视线离地面最低高度不小于 0.2米，最大视线长度100米，前后视距较差不大于3米，前后视距累计差不大于10米，红黑面读数差不大于 3mm，红黑面高差较差不大于 5mm；

F.水准测量数据记录采用电子手簿记录；

G.水准测量的数据处理采用严密平差程序平差，并应输出精度评定结果，高程的最终成果取至 1mm。

本发明与现有技术相比的优点是：

（1）靶标布设密度降低30%，工作效率提升40%；

（2）解决了上、下行分离式扫描精度不一致的难题,提高了点云数据的可靠性；

（3）开展新技术和新工艺研究，构建高速、高效的测绘生产体系，有效提升高速公路改扩建测绘生产能力，实现路面点云平面位置中误差优于±3cm、高程中误差优于±2cm的超高精度要求。

附图说明

图1是本发明的车载激光雷达扫描靶标布设及测量工艺流程图。

图2是本发明中靶标的形状示意图。

图3是本发明的靶标布设示意图。

图4是本发明的靶标水准联测路线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步详述。

如图1至图4所示，一种车载激光雷达扫描靶标布设及测量方法，包括以下步骤：

（1）靶标形状与规格的确定：60cm*60cm见方，呈上下两个顶点相对且相连接的三角形形状；如图2所示。

（2）测标布设：

A.材料选用：选用公路划线漆，颜色可以白色或红色，以醒目颜色为主，采用制作模具、人工均匀涂刷方式敷设；

B.测标设置：应布设在高速公路两侧应急车道内平坦路面上，尽量避开低洼，突起，有车辙及坡度较大或突变的路面，且测标轴线平行于道路边线；遇到桥涵时，尽量选在桥面伸缩缝处，测标间距 100 米左右，双向交叉布置，边缘距道路边线 0.5 米以上；测标要清晰，易于激光点云的识别；

C.测标编号：测标设置后，按自然序号编取，按道路上、下行方向取“Z、Y”为首字母，例Y0001、Y0002、Y0003……如图3所示；

（3）靶标控制点测量：

A.考虑到各种误差影响，必须保证靶标控制点具有较高的测绘精度，这是实现车载激光雷达扫描点云高程精度优于2cm的前提条件；结合高速公路改扩建前期布设的首级GPS平面控制网和水准网资料（平面为D级GPS控制网，高程为三等水准，高等级控制点点位密度1Km/座），采用GPS RTK测量定位技术和水准测量技术相结合的方式分别获取靶标控制点平面和高程坐标；

B.技术指标：采用GPS RTK设备测绘靶标中心点平面坐标（图根点精度，相对起算点平面中误差小于2cm），采用电子水准仪测绘靶标中心点高程（四等水准精度：每千米偶然中误差5.0mm，每千米全中误差10mm）；

（4）靶标平面控制测量：

A.采用GPS基准站模式测量测标中心平面坐标。首先利用周边基础控制点的测量成果求解转换参数，转换精度≤10mm，控制点应包含整个作业区域；然后在作业区间内选定 1个基础控制点架设好 GPS基准站，再利用 GPS 流动站检核附近 2个以上基础控制点，满足限差要求开始进行测量；

B.GPS RTK流动站应架设三脚架进行整平、对中，并固定流动站高度；每个平面控制点要独立观测两次，每次测量时间不少于 30 秒，两次观测间隔不小于 2 小时；两次平面坐标差值不应超过3cm，取其平均值作为最终成果；

C.GPS RTK流动站距基站要求小于3km，测量时保证每个点都是固定解，且GDOP≤5、卫星高度角≥15°，GPS RTK最终测量结果平面精度不低于3cm；

（5）靶标高程控制测量：

A.路面测标的高程控制测量采用四等水准附合路线方式进行，路线长度不宜大于6km；并进行往返测量。附合路线及往返测限差应不超过±20√L（L 为路线长度，单位为km）；超限必须重测；

B.因测站观测误差超限，在本站检查发现后可立即重测。若迁站后才检查发现，则应从水准点或间歇点（应经检测符合限差）起始，重新观测；

C.水准观测采用 DNA03型电子水准仪，与之相配套的条码水准标尺，直接自动读数测量；水准仪每天检校一次i角，作业开始后的7个工作日内，若i角较为稳定，以后每隔15天检校一次；

D.四等水准采用尺台作转点尺承，尺台质量不小于1kg，观测应在标尺分划线成像稳定时进行，若成像欠佳，应酌情缩短视线长度，直至成像清晰稳定；

E.观测顺序为“后-后-前-前”；观测时可以直读距离，视线离地面最低高度不小于 0.2米，最大视线长度100米，前后视距较差不大于3米，前后视距累计差不大于10米，红黑面读数差不大于 3mm，红黑面高差较差不大于 5mm；

F.水准测量数据记录采用电子手簿记录；

G.水准测量的数据处理采用严密平差程序平差，并应输出精度评定结果，高程的最终成果取至 1mm。

具体实施例的试验结果：

（1）京沪高速公路（设计要求点云精度优于±3cm，作业时间2016年9月），该项目设计路线长度160km，线路起点位于莱芜枢纽立交，终点至蒙阴竹园立交。检测方法使用高速路面200m间隔四等水准高程点检核就近点云数据高程，得出纠点云成果精度分析表；通过前期RTK 实测道路边线数据检核点云成果平面坐标，得出点云平面精度分析表。

质量统计结果：

①平面检查点个数：785

点位误差分布：

0.000-0.050 米618 个占78.7%；

0.050-0.099 米154 个占19.6%；

0.100-0.13米13 个占1.7%；

去除粗差后，点位中误差为：±0.041m。

②高程检查点个数：879 个。

高程误差分布：

0.000-0.019 米 825 个占93.8%；

0.020-0.043 米54 个占6.2%；

中误差：Mh= ±0.012m。

（2）青岛新机场高速公路（设计要求点云精度优于±2cm，作业时间2018年3月）。该项目位于青岛市城阳区境内，其中现有高速公路段西起青兰高速河套收费站，东至西女姑山收费站，长度约17km。

①路面靶标平面精度统计：外业采用RTK实地检测点位42个，平面精度中误差：0.034m；

②路面车载Lidar点云高程精度统计：外业采用水准联测点位77个，平面精度中误差：0.015m。

（3）京台高速公路泰安至枣庄(鲁苏界)段（设计要求点云精度优于±2cm，作业时间2017年12月），起点位于京台高速和青兰高速交叉的泰山枢纽，沿老路扩建前行，途经泰安市岱岳区、宁阳县，济宁市曲阜市和邹城市，终点位于济宁与枣庄交界处。

①路面标靶平面精度检查：

检查方法采用GPS RTK模式进行，使用支架对中杆架设RTK移动站，初始化两次，每次平滑采集5秒。汇总抽查数据对比成果数据，计算路面标靶平面坐标中误差为：±0.037m。

②路面标靶高程精度检查：

检查方法采用水准联测控制点，通过整体平差得出路面标靶高程，汇总抽查高程数据对比路面标靶原有成果数据中误差为：±0.006m。

优化措施（靶标联测控制网加强方案）：

（1）如图4所示，从高速公路路面增加对象观测水准线路，由原来上行、下行单一符合水准形成具有若干闭合环的水准网，增加精度验证条件。通过环闭合差可以就可以评估点云纠正后可能达到的理想精度，同时有效避免测量粗差或错误存在，提高车载激光雷达扫描精度的可靠性。

（2）对靶标控制点密度优化：根据初期项目设计要求，直线段坡度变化平缓的地段靶标控制点单侧布设密度为100m/座，在立交匝道曲线段和坡度变化较大的线路密度加倍。平均靶标辅助测量工作效率为6km/天（单侧）。在点云纠正过程中，纠正点与检查点数量比例分别按照2:1、1:1、1:2进行精度统计，推算出在满足设计精度要求的情况下，适当降低靶标点数量，可以有效提高测量工作效率。试验结果表明，在保证精度的情况下，靶标点密度可以减少30%，点位间距增加也提高了靶标控制点辅助测量工作效率，从6km提升至10km/天（单侧）。

上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好的使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制；只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。

Claims (1)

1.一种车载激光雷达扫描靶标布设及测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）靶标形状与规格的确定：60cm*60cm见方，呈上下两个顶点相对且相连接的三角形形状；

（2）测标布设：

A.材料选用：选用公路划线漆，颜色可以白色或红色，以醒目颜色为主，采用制作模具、人工均匀涂刷方式敷设；

B.测标设置：应布设在高速公路两侧应急车道内平坦路面上，尽量避开低洼，突起，有车辙及坡度较大或突变的路面，且测标轴线平行于道路边线；遇到桥涵时，尽量选在桥面伸缩缝处，测标间距 100 米左右，双向交叉布置，边缘距道路边线 0.5 米以上；测标要清晰，易于激光点云的识别；

C.测标编号：测标设置后，按自然序号编取，按道路上、下行方向取“Z、Y”为首字母，例Y0001、Y0002、Y0003……如图2所示；

（3）靶标控制点测量：

A.考虑到各种误差影响，必须保证靶标控制点具有较高的测绘精度，这是实现车载激光雷达扫描点云高程精度优于2cm的前提条件；结合高速公路改扩建前期布设的首级GPS平面控制网和水准网资料（平面为D级GPS控制网，高程为三等水准，高等级控制点点位密度1Km/座），采用GPS RTK测量定位技术和水准测量技术相结合的方式分别获取靶标控制点平面和高程坐标；

B.技术指标：采用GPS RTK设备测绘靶标中心点平面坐标（图根点精度，相对起算点平面中误差小于2cm），采用电子水准仪测绘靶标中心点高程（四等水准精度：每千米偶然中误差5.0mm，每千米全中误差10mm）；

（4）靶标平面控制测量：

A.采用GPS基准站模式测量测标中心平面坐标；首先利用周边基础控制点的测量成果求解转换参数，转换精度≤10mm，控制点应包含整个作业区域；然后在作业区间内选定 1个基础控制点架设好 GPS基准站，再利用 GPS 流动站检核附近 2个以上基础控制点，满足限差要求开始进行测量；

B.GPS RTK流动站应架设三脚架进行整平、对中，并固定流动站高度；每个平面控制点要独立观测两次，每次测量时间不少于 30 秒，两次观测间隔不小于 2 小时；两次平面坐标差值不应超过3cm，取其平均值作为最终成果；

C.GPS RTK流动站距基站要求小于3km，测量时保证每个点都是固定解，且GDOP≤5、卫星高度角≥15°，GPS RTK最终测量结果平面精度不低于3cm；

（5）靶标高程控制测量：

A.路面测标的高程控制测量采用四等水准附合路线方式进行，路线长度不宜大于6km；并进行往返测量；附合路线及往返测限差应不超过±20√L（L 为路线长度，单位为km）；超限必须重测；

B.因测站观测误差超限，在本站检查发现后可立即重测；若迁站后才检查发现，则应从水准点或间歇点（应经检测符合限差）起始，重新观测；

C.水准观测采用 DNA03型电子水准仪，与之相配套的条码水准标尺，直接自动读数测量；水准仪每天检校一次i角，作业开始后的7个工作日内，若i角较为稳定，以后每隔15天检校一次；

D.四等水准采用尺台作转点尺承，尺台质量不小于1kg，观测应在标尺分划线成像稳定时进行，若成像欠佳，应酌情缩短视线长度，直至成像清晰稳定；

E.观测顺序为“后-后-前-前”；观测时可以直读距离，视线离地面最低高度不小于 0.2米，最大视线长度100米，前后视距较差不大于3米，前后视距累计差不大于10米，红黑面读数差不大于 3mm，红黑面高差较差不大于 5mm；

F.水准测量数据记录采用电子手簿记录；

G.水准测量的数据处理采用严密平差程序平差，并应输出精度评定结果，高程的最终成果取至 1mm。

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