专利名称：车载式公路路面三维测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及测绘科学与仪器领域，尤其涉及一种车载式公路路面三维测量装置，可以广泛应用于公路几何线形测量、道路检测、旧公路改建勘测设计、高速公路扩建勘测设计以及道路大修勘测设计等交通领域。
背景技术：
截止到2010年底，全国公路网总里程达到398. 4万公里，其中高速公路7. 4万公里，居于世界第二位；国道16. 39万公里、省道29. 83万公里。公路交通适应经济发展是一个持续的动态过程，随着经济的发展，原有的适应又被新的需求打破。我国较早建设的高速公路，如沈大、广佛、沪宁、京津塘、京珠等高速公路，随着交通量的不断增加，出现了严重的交通拥堵现象，影响了道路的通行能力和服务水平。为此不得不考虑重新建设第二通道或扩建以缓解日趋紧张的交通压力。进入21世纪以来，我国早期建设的高速公路不少开展了改扩建工程的研究，一些改扩建工程已先后建成通车。比较代表性的主要有沈大高速公路、杭甬高速公路、沪宁高速公路、广东佛开高速公路等。很多已建成的公路由于繁重的交通，路况破坏比较严重，已经进入了大修和改扩建期，对已有公路的改、扩建项目会越来越多。拟改扩建高速公路相关基础数据的获取已经成为公路设计单位的一项繁重工作。关于拟改扩建公路建设工程的空间信息数据的采集是公路改扩建勘测设计中的一项最繁重的工作，特别是路面的三维数据采集方面。根据我国公路建设情况及现有的文档资料，仅依靠竣工资料是难以满足扩建要求的。由于扩建工程对测量精度的要求远高于新建工程，如路面的标高测量要达到士5cm，而现有高速公路上的交通流量大，不允许在老路上进行太多的定点测量，因此需要充分利用现有的高新技术，以新型测绘科学与技术为依托，借助先进的测绘仪器与计算机软件技术， 实现路面空间信息数据在不影响正常交通的条件下的快速高精度采集。归纳起来，目前拟改扩建高速公路项目空间信息数据的采集技术主要有(1)高分辨率卫星遥感技术随着卫星遥感图像的定位精度越来越高，空间分辨率越来越细，使卫星遥感技术可以更加快速、更加精密和更加详细地获取地表信息，从而在工程应用领域中也有了突破性发展。卫星遥感技术以其丰富的地表信息和直观图像在老路改扩建方式的优化比选方面提供了一种非常好的技术支持。1999年美国升空发射IKONOS遥感卫星标志着高分辨率卫星遥感时代的到来。 IKONOS影像含有一个分辨率为Im的全色光谱波段和蓝、绿、红与近红外4个分辨率为細的多光谱波段，其遥感图像在无地面控制点时水平精度12m，垂直精度IOm ；有地面控制点时水平精度2m，高程精度:3m。这些技术参数使IKONOS卫星图像不仅能完全解译出区域路网和经济布局、道路沿线的各种最新的自然、经济现象，而且在不中断交通的情况下，使交通调查、路况调查、工程地质详查等成为了可能，在路线方案选择、老路扩建方式优化比选方面具有得天独厚的技术优势。[0008](2)低空大比例航空摄影航空摄影测量是以空中摄影像片构成的立体像对为基础，从几何和物理方面加以分析和量测，获取所摄对像信息的一门学科。由于信息量大，反映物体细致、客观，真实和详尽地记录了摄影瞬间的地表形态，具有良好的量测精度和判读性能，能方便地获得被摄地区的大比例地形资料。高速公路改扩建最重要的是解决航测高程精度问题。公路摄影测量规范规定，航测高程误差可达1/2 1倍等高距，相当于1 2000比例地形图上0.5-lm(平原区)和l-2m(山区)的高程误差。改扩建项目涉及到路面加宽、桥梁拼接等，在方案设计阶段就需要对老路中线平纵进行恢复和拟合，因此对地面，尤其是既有路面及结构物的高程精度要求非常高。显然，上述常规航测精度不足以满足改扩建公路勘察设计的要求。理论上航测高程精度可达航高的1/4000-1/6000，整体提高航测精度最可行的方法应尽量降低摄影航高。但航高的降低在摄影测量学上有一定的技术难度，需要研究解决包括安全航高的限制、相对航速的增加使像点发生位移、摄影死角增多、单幅像片覆盖面积减小、近地层气流扰动使像片变形增大等一系列技术问题及相应的经济合理性等问题。(3)高精度GPS-RTK三维测量高速公路改扩建对路基、桥梁拼接等有着特殊的精度要求，受摄影测量自身的约束，航测数据、尤其是路基路面数据的高程精度还不足以满足老路路面拼接的施工图设计要求。对于高速公路改扩建项目，要求最大程度利用现有工程，特别是对路面的利用、桥梁的拼接而言，它要求高程精度必须控制在< 士 5cm内。因此，需要有必要的高精度地面测量数据予以保证。常规测量通常是平面测量和高程测量分别实施，不但存在着视线不畅、车流影响、定向定位不准、水准高程测量困难、工作强度大、工作效率低等问题，而且在沿老路上进行测量时有还有其特殊的难题，如不中断交通的工作组织、测量人员的安全保障、道路构造物的影响等，致使常规测量的数据可靠性和精度都难以有效保证，严重影响施工图设计的质量，常常需要在施工图设计过程中反复进行调整和复测。GPS-RTK三维测量技术提供了一整套可行的解决方案。GPS测量的平面精度已被广泛认可，因此，一般路基平面测量采用GPS-RTK，桥梁等重要结构物采用GPS静态测量；高程测量采用电子数字水准仪。测量精度一般路面平面点位中误差< 士5cm、桥梁等结构物平面点位中误差< 士2cm ；高程测量统一采用四等水准技术要求施测，符合路线闭合差 ^ 士20L(mm)。点位布设主线一般路基每20m测量一组数据，分别布设在中央分隔带边缘和硬路肩外侧边缘，主线上每组数据上下行线共4点，尽量保持在同一横断面上。(4)空间数字地面模型和数字路基模型数字地面模型系统是现代公路CAD系统的核心，建立设计范围内可靠的数字地面模型是进行数字化设计、优化设计、环境保护与景观设计的前提。目前世界上成熟的公路 CAD核心技术无不包含一个内嵌于系统中的DTM系统，其用数学方式来描述地形表面。随着应用的逐步深入，数字地面模型的研究已从数据源、模型构建、数据处理等逐步发展到多模型叠加和特殊模型的优化等方面，老路改扩建项目中的DTM正是后者需要研究应用的典型案例，具体为如何建立高精度、高仿真的现有公路的路基三维数字模型，并使之与大范围的地面模型和最终的设计模型进行有效的叠加技术。高速公路改扩建DTM应用步骤是首先以航测数据建立设计范围内的广域数字地面模型用于初步设计；以高精度路基数据(高精度GPS-RTK三维测量成果)构建精密数字路基模型；将路基模型与航测模型叠加，替换路基范围内的原航测模型，改善并提高整体数模的精度，使之既具有路基设计范围内的高精度优势，又有方案设计所需的宽域比选范围优势。叠加模型直接用于设计、线位平纵面拟合与优化、接线拉坡、横面拼接，以及其它施工图细部设计，从而极大地提高了测设效率、优化了设计成果。然而，现有的这些技术仍然存在以下缺陷一、精度问题传统的高分辨率卫星遥感测量以及低空大比例尺摄影测量，都不能达到路面标高测量< 士 5cm的精度需求；二、效率问题传统的GPS-RTK测量方式以及全站仪测量方式，虽然可以达到公路路面测量的精度，但是由于其完全是人工操作，测量效率比较低下，完成一条100公里的道路的测量，往往需要2-3个月的时间；三、安全问题传统的GPS-RTK测量方式以及全站仪测量方式在不中断正常交通的情况下，测量人员的安全将得不到保障，并且干扰正常的交通，严重影响现场勘测的进度
与质量。高速公路改扩建对路基、桥梁拼接等有着特殊的精度要求，受摄影测量自身的约束，航测数据、尤其是路基路面数据的高程精度还不足以满足老路路面拼接的施工图设计要求。常规测量通常是平面测量和高程测量分别实施，不但存在着视线不畅、车流影响、定向定位不准、水准高程测量困难、工作强度大、工作效率低等问题，而且在沿老路上进行测量时有还有其特殊的难题，如不中断交通的工作组织、测量人员的安全保障、道路构造物的影响等，致使常规测量的数据可靠性和精度都难以有效保证，严重影响施工图设计的质量， 常常需要在施工图设计过程中反复进行调整和复测。为此，本实用新型的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种车载式公路路面三维测量装置，以克服上述缺陷。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种车载式公路路面三维测量装置，其能在车辆运行过程，自动记录公路路面的空间信息，然后通过计算机软件计算得到路面的三维数据，解决了路面测量的精度问题，可以满足路面标高精度< 士5cm的要求，同时大大提高了测量效率，降低了测量人员的劳动强度，提高了测量作业的安全感性。为实现上述目的，本实用新型公开了一种车载式公路路面三维测量装置，该装置包含移动站1和基站，其特征在于移动站1包含GPS接收机11、IMU12、激光扫描仪13、距离传感器14、工业计算机以及车辆15，基站由GPS接收机、数据记录装置以及三脚架构成。其中，移动站的距离传感器14安装在车辆上，激光扫描仪13安装在车辆的顶部的高强度铝合金框架上且位于车顶的尾部中间位置，该激光扫描仪13的激光扫描线16与路面成30-60°夹角GPS接收机11的天线安装在IMU12中心的上方IMU12安装在激光扫描仪 13的前方，且与激光扫描仪13靠近，且该IMU12的中心与车辆中轴线以及扫描仪的中心在一条直线上。其中，该距离传感器14为车轮编码器，其安装在车辆的左后轮中心，通过一个导向杆限制编码器本体的随轮转动。其中，工业计算机及其附件安装在车辆内部，同时该工业计算机配备有供工作人员操作的人机操作界面。其中，车轮编码器与IMU连接，IMU、GPS接收机、工业计算机以及激光扫描仪之间均两两相互连接。通过上述结构，本实用新型能实现以下技术效果一、利用差分GPS/惯性组合定位定姿设备以及高精度激光扫描仪结合的测量方式，解决了路面三维测量的精度问题，满足旧公路改扩建勘测设计的精度需求；二、可以安装在移动汽车上以40公里/小时的速度进行测量，完成一条100公里的道路的测量仅需要2-3天时间，一周之内可以完成数据的内业处理，极大提高了测量的效率；三、可以在正常交通条件下完成对路面的三维测量，测量人员只需在移动车辆上操作数据采集装置，由数据采集装置自动完成数据的记录、分析与计算，大大提高了测量人员的人身安全。本实用新型的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
图1显示了本实用新型的移动站的示意图。图2显示了本实用新型的移动站的俯视图。
具体实施方式
本实用新型的车载式公路路面三维测量装置包含移动站1和基站(未示出)，移动站1主要包含GPS (全球定位系统)接收机11、IMU12(惯性测量单元)、激光扫描仪13、距离传感器14 (优选为车轮编码器)、高稳工业计算机以及车辆15构成，基站主要由GPS接收机、数据记录装置以及三脚架构成；而在工业计算机上安装有控制软件，该控制软件包含采集模块和处理模块，采集模块主要包括GPS数据采集模块、IMU数据采集模块以及激光扫描数据采集模块，处理模块主要包括GPS/IMU融合模块、激光数POS (GPS/IMU数据融合结果)数据融合模块、激光点云滤波模块以及路面三维重构模块等。参见图1和图2，移动站的距离传感器14安装在车辆上，激光扫描仪13安装在车辆的顶部的高强度铝合金框架上，位于车顶的尾部中间位置，该激光扫描仪13的激光扫描线16与路面成30-60°夹角；GPS接收机11的天线安装在IMU12中心的上方；IMU12安装在激光扫描仪13的前方，且与激光扫描仪13靠近，且其中心与车辆中轴线以及扫描仪中心
在一条直线上。优选的是，该距离传感器14为车轮编码器，其安装在车辆的左后轮中心，通过一个导向杆限制编码器本体的随轮转动；工业计算机及其附件安装在车辆内部，同时该工业计算机配备有供工作人员操作的人机操作界面。移动站的各设备的连接及信号传递如下车轮编码器与IMU连接，IMU、GPS接收机、工业计算机以及激光扫描仪之间均两两相互连接；该车轮编码器输出的距离脉冲输入到IMU ； IMU接收GPS接收机输出的秒脉冲信
6号(PPS)以及工业计算机发出的时间同步指令，在IMU内部建立与GPS统一的时间基准，另外IMU在完成时间对时后，根据工业计算机的指令将惯性观测数据(3个方向的加速度值与三个方向的角速度值)以及车辆行驶的距离值发送到工业计算机；激光扫描仪接收GPS接收机输出的秒脉冲信号(PPS)以及工业计算法发出的时间同步指令，在激光扫描仪内部建立与GPS统一的时间基准，另外激光扫描仪在完成时间对时后，根据工业计算机的指令将激光扫描测量值(测距值及扫描角度值)发送到工业计算机；GPS接收机在接收到有效卫星(彡4颗)后，输出PPS信号以及输出有效时间与定位信号。其中，基站的GPS接收机主要包含双频GPS接收机及附件，其为移动站的GPS接收机提供后处理的差分改正信号，以提高移动站的GPS定位的精度。基站GPS接收机应该安置在一个具有已知精确位置信息的地面控制点上，且GPS卫星可视范围大、卫星信号良好的场地。本实用新型的车载式公路路面三维测量装置在测量路面三维形状时，激光扫描仪发出的一束激光被旋转棱镜投射到路面上，获得路面该点到激光扫描仪之间的距离；通过旋转棱镜的转动，获得路面上一条扫描线上多点到扫描仪的距离；通过车辆的连续运动，获得路面上多点的距离信息。同时采用工业计算机，通过GPS、IMU和激光扫描仪数据采集模块同步采集GPS观测数、IMU原始数据以及激光扫描数据，并将其保存在工业计算机的硬盘上。显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本实用新型的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本实用新型不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本实用新型的教导的特定例子，本实用新型的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。
权利要求1.一种车载式公路路面三维测量装置，该装置包含移动站(1)和基站，其特征在于 移动站(1)包含GPS接收机(11)、IMU(12)、激光扫描仪(13)、距离传感器(14)、工业计算机以及车辆(15)，基站由GPS接收机、数据记录装置以及三脚架构成。
2.如权利要求1所述的车载式公路路面三维测量装置，其特征在于，移动站的距离传感器(14)安装在车辆上，激光扫描仪(1 安装在车辆的顶部的高强度铝合金框架上且位于车顶的尾部中间位置，该激光扫描仪(13)的激光扫描线(16)与路面成30-60°夹角； GPS接收机(11)的天线安装在IMU(12)中心的上方；IMU(12)安装在激光扫描仪(13)的前方，且与激光扫描仪(13)靠近，且该IMU(12)的中心与车辆中轴线以及扫描仪的中心在一条直线上。
3.如权利要求2所述的车载式公路路面三维测量装置，其特征在于，该距离传感器 (14)为车轮编码器，其安装在车辆的左后轮中心，通过一个导向杆限制编码器本体的随轮转动。
4.如权利要求1、2或3所述的车载式公路路面三维测量装置，其特征在于，工业计算机及其附件安装在车辆内部，同时该工业计算机配备有供工作人员操作的人机操作界面。
5.如权利要求4所述的车载式公路路面三维测量装置，其特征在于，车轮编码器与IMU连接，IMU、GPS接收机、工业计算机以及激光扫描仪之间均两两相互连接。
专利摘要本实用新型涉及一种车载式公路路面三维测量装置，该装置包含移动站(1)和基站，其中，移动站(1)包含GPS接收机(11)、IMU(12)、激光扫描仪(13)、距离传感器(14)、工业计算机以及车辆(15)，基站由GPS接收机、数据记录装置以及三脚架构成，其能在车辆运行过程，自动记录公路路面的空间信息，然后通过计算机软件计算得到路面的三维数据，解决了路面测量的精度问题，可以满足路面标高精度＜±5cm的要求，同时大大提高了测量效率，降低了测量人员的劳动强度，提高了测量作业的安全感性。
文档编号E01C23/01GK202175906SQ201120270600
公开日2012年3月28日 申请日期2011年7月28日 优先权日2011年7月28日
发明者刘勇, 张 成, 曹民, 李清泉, 栾海, 毛庆洲, 胡珊, 胡雪峰 申请人:吉林省交通规划设计院, 武汉武大卓越科技有限责任公司