地下空间移动激光测量系统研发

李永强，郭增长，刘会云，牛路标，闫阳阳

(河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000)



地下空间移动激光测量系统研发

李永强，郭增长，刘会云，牛路标，闫阳阳

(河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000)

[摘要]针对地下空间三维信息获取困难的问题，研发了地下空间移动激光测量系统。该系统分为动态测量部分和静态纠正部分，动态测量部分由线阵激光扫描仪、高精度IMU 和里程计等传感器高度集成，安装在轻便的移动平台上，在移动过程中快速获取地下空间三维点云信息; 静态纠正部分由一系列三维空间合作标靶组成，根据一定原则分布在地下空间中，其作用相当于控制点组合,对移动测量系统获取数据进行位置和姿态纠正。论文在阐述地下移动激光测量系统工作原理的基础上，重点阐述了系统集成中的几个关键技术问题，包括硬件系统集成、三维合作标靶研发、位置姿态纠正等，最后以实例应用说明了该系统的高效性和精确性。

[关键词]地下空间；移动激光测量；合作标靶；位置姿态纠正

地下工程(地下矿山、地铁、隧道、人防工程等)是人们生产活动的重要场所，在国民经济建设中发挥重要作用，甚至起到非常关键的作用。真实准确的三维场景信息对于实现地下工程的安全、稳定、高效运营和管理发挥着非常重要的作用[1-5]。

然而，地下作业环境中存在的诸多不利因素，如空间狭小、光线不足、无GPS信号、空气潮湿、地面凸凹不平等，给数据的获取工作造成极大困难，在地面上正常进行的数据采集活动往往在地下变得十分困难，甚至无法进行。常规的地下工程测量方法速度慢、成本高、数据量有限，无法实现整个地下场景信息的快速准确获取。基于固定基站的非接触测量技术[6-9](三维激光扫描仪、近景摄影测量、可编程控制的测量机器人、空穴探测仪等)能准确地获取地下空间大量的点云信息，对地下空间的形态进行准确的表达和描述，但受数据获取方式的限制，完成一个基站的数据采集后才能转移到下一个基站，地下工程往往因为狭长空间、频繁转换基站而使工作量变得十分繁重，严重影响作业效率，把大量的基站数据拼接后，误差累积会使测量结果无法满足需求。多传感器集成的移动激光测量技术成为地下空间三维信息获取的有效手段。国外多家研究机构，包括卡内基梅隆大学、波恩大学、柏林大学、牛津大学等都开展了相关的研究[10-12]，并在隧道、室内、废旧矿山中进行了实验研究，取得了很多有价值的研究成果。我国在该方面也开展了相关的研究工作[13-15]，取得了一些研究成果。地下空间没有GPS信号，高精度IMU系统也只能提供短时间内可靠的位置和姿态信息，随着时间的推移，测绘数据的可靠性逐渐变弱，直至无法满足应用需求。为有效解决上述问题，河南理工大学与中国测绘科学研究院合作，对地下空间三维信息快速获取开展了一系列探索研究，并研发了地下移动激光测量系统。

1集成原理

1.1应用目标

地下移动激光测量系统的主要应用对象是面向我国的地下矿山、地下人防工程、地铁、隧道、地下车场等地下工程空间信息的快速、准确获取，因此对系统提出了如下要求：能较好适应地下空间作业环境，采用非接触方式快速获取地下空间三维信息；能够进行长时间作业，所获取的数据仍能满足应用需求。

1.2功能设计

根据应用目标，结合地下空间特点，该系统需要具备获取激光点云的功能，以点云为基础实现地下空间的信息提取、三维建模与可视化表达。为了使地下场景更加真实，从长远发展的角度来看，需要获取场景内的影像信息作为激光点云的有效补充。同时，为满足长时间作业条件下所采集点云和影像数据的有效性，要求能提供高精度的位置/姿态信息。

1.3集成原理

根据应用目标和系统功能设计，将系统分为动态测量部分和静态纠正部分。动态测量部分由数个数据采集子系统高度集成，安装在轻便的移动平台上，在移动过程中快速获取地下空间三维信息；静态纠正部分由一系列三维空间合作标靶组成，根据一定原则分布在地下空间中，其作用相当于控制点组合，对移动测量系统获取数据进行位置和姿态的纠正。

1.4系统集成

移动平台系统主要包括以下几个子系统：激光扫描系统、影像获取系统、POS系统、数据传输与存储系统、动力系统、合作标靶系统、其他附属系统等，地下移动测量平台系统总体框架设计如图1所示。激光扫描系统采用线阵激光扫描仪，在移动过程中获取地下空间详尽的三维点云，是地下空间数据获取的主要传感器；影像获取系统获取同步彩色影像、红外影像；IMU/里程计/里程计组合系统实时获取位置/姿态信息；合作标靶系统布设在地下空间内，它们的位置和姿态由常规精密测量方法精确测定，其作用相当于位置/姿态的控制点；动力系统负责移动平台、各传感器系统、数据的传输与存储、照明等所有动力供应。考虑到系统集成的发展性及当前应用的实际需求，系统预留了影像获取系统接口，没有实际安装相机。考虑到内外一体化的作业模式，POS系统保留了GNSS的室外定位功能，由GNSS，IMU和里程计紧密耦合。

图1　地下移动LiDAR系统总体框架设计

2关键问题

2.1 硬件系统集成

地下作业环境与地上存在明显差异，因此系统的设计必须能适应地下作业环境，其中关键传感器的选择十分重要，该系统主要有两个重要的传感器系统：激光扫描仪和惯导系统。

(1)激光扫描仪与地面目标不同，地下空间除需要获取地面信息外，还需要获取侧壁和顶部信息，在空间360°范围内都需要有真实准确的数据。另外，从整个系统的工作原理来看，移动系统需要在移动过程中，在合作标靶上获取足够密集和精确的点云数据，才能有效地识别出标靶图形，并进一步获取位置姿态纠正所必要的参数。因此要求所选用的三维激光扫描仪有足够高的扫描频率和扫描密度，同时有360°扫描角度。本研究选择北京北科天绘UA-0100型线阵激光扫描仪，该仪器主要参数：扫描距离100m；测距精度2mm；最大电频为50万点/s；仪器重量8kg。

(2)惯导系统要保证激光扫描仪在移动过程中测量数据的准确换算，最重要的是选择精确的位置姿态测量系统。本研究选择北京自动化控制设备研究所 POS2010型位置姿态测量系统，该系统主要性能指标：实时姿态方位精度优于0.1°，水平姿态精度优于0.05°；后处理精度航向优于0.008°，姿态优于0.005°，位置优于0.3m。POS2010系统提供200Hz的姿态信息，保证了传感器空间姿态的实时获取。

系统集成的时候，充分考虑了系统的小型集约化设计，尽量减轻重量、减小体积；另外也要求有相对稳定的工作状态，能经得起颠簸、晃动，各传感器间保持相对稳定的工作状态，并有一定的防潮防尘能力。

2.2合作标靶研发

地下空间无GPS信号，移动系统中各传感器的位置和姿态由自主导航系统实时提供。随着时间的增加，导航系统的漂移量逐渐增加，由此引起的测量误差也逐渐增加，所获得测量数据的可靠性逐渐降低。为了将地下测量误差控制在允许范围内，引入了合作标靶的概念，其作用相当于控制点组，通过由多个合作标靶构建的“控制网”，达到对移动系统位置和姿态的有效精度控制，最终保证测量数据质量的整体可靠性。

2.2.1合作标靶材料

与其他数据一样，合作标靶信息也是在动态过程中获取的，将合作标靶信息快速准确地从原始点云中分离出来，需要使表征标靶的点云与周围地物明显区别出来，除了标靶的空间形态外，最重要的一个途径是通过点云图像中反射强度的差异来区分。激光扫描仪通过发射固定波长的激光束来测量仪器中心距离目标地物的距离，不同的地物由于材质的不同，对激光束的反射强度也不同，激光扫描仪在接受地物反射的激光束时，将强度信息也一并记录下来。因此，合作标靶材料选择需要根据激光扫描仪特定的波长，选择反射信号强的材料，以使标靶能明显与周围环境区分开来。依据标靶材料选取原则，研究团队分别对工程级反射膜、铝合金板、激光反射片、木板、油漆板、石膏板、背胶相纸等10余种认为可作为标靶的材料进行了试验，从当前业内进行激光扫描试验经验看，背胶相纸是一种常用的标靶材料，不但有良好的激光反射效果，而且可以通过打印机打印任何设计的图形，价格便宜，使用方便，并且在本研究中，采用背胶相纸组合成为三维标靶，开展更深层次的研究工作。为了适应地下空间潮湿的环境，也选用具有较好防水功能的车用发光贴为标靶材料，根据需要组合成标靶图形。

2.2.2标靶图形设计

合作标靶虽然在作用上类似于控制点的作用，但在布设的时候则是在某一个区域集中布设，标靶并不是单独放置的，而是一组标靶按照一定的原则集中布设在一个较小的范围内，一方面是利于多个标靶的共同作用达到精确控制的目的，另一方面也是为了更方便使用传统方法对标靶的空间位置和姿态进行精确测量。在地下空间信息获取时，主要选用3种形式的标靶图形(图2)，图2(a)～(c)分别为方形平面标靶、十字形平面标靶和三维立体标靶，方形标靶和立体标靶使用背胶纸材料，十字标靶使用车用发光贴材料。3种标靶常配合使用。平面标靶主要用于基于空间位置的纠正，立体标靶则可以同时进行位置和姿态的纠正，通常情况下，平面标靶和立体标靶配合使用。

图2　标靶图形设计

2.3位置姿态纠正

合作标靶的作用相当于控制点组，对平面合作标靶来讲，其每个图形角点相当于一个控制点，对三维合作标靶来讲，每个图形的中心相当于一个控制点。在使用移动测量系统获取数据前，先使用高精度全站仪精确测量每个标靶的(全部或部分)特征点，这些特征点的空间关系已经精确标定，对测量值进行平差，可精确计算标靶的空间位置和姿态。移动测量系统获取数据时，标靶摆放位置相距移动系统很近，在合作标靶表面获取密集的点云数据，通过人工交互或自动提取方式，精确提取各特征点的点云坐标，每个点云坐标中都带有位置信息和姿态信息。

由于地下空间没有GPS信号，激光点云的位置和姿态根据IMU和里程计获取的数据进行推算，激光点云的位置和姿态的推算具有累积性，误差的累积与时间基本呈正比关系。系统获取每个标靶所用的时间(从获取标靶第一个点到最后一个点)很短，在这段时间内，可以认为相对的误差累积很小，同一个标靶上的点具有相同的位置误差和姿态误差。根据多余观测，列出误差方程，平差可求出每个标靶上激光点的位置和姿态误差。对两标靶间的点位和姿态纠正，采用按时间差分配的原则。

3试验分析

试验区选择北京地铁15号线某路段，该路段跨越3个站台，长度约为3km。由于该路段地铁尚未竣工，混乱的施工现场及地铁内的积水，给数据采集带来了一定困难。通过对试验区的考察分析，对采集系统进行了适当的改装，将数据采集系统安装在能在轨道上滑行的平板车上。通过人力方式，以步行的速度获取地铁隧道内详尽的激光点云数据，30min即完成了3km地铁隧道数据采集工作。

传感器所获取的有效点云数据间隔约为20mm，保证了对整个地下空间场景的精细描述，各部分的细节特征都能够精细描述。在本试验中，每25m布设一个十字形控制标靶，保证有足够的控制标靶密度，作为对传感器位置和姿态的纠正。

4结束语

(1)在阐述地下移动激光测量系统工作原理的基础上，重点阐述了系统集成中的几个关键技术问题，包括硬件系统集成、三维合作标靶研发、位置姿态纠正等，最后以实例应用说明了该系统的高效性和精确性。系统的高度集成和相对轻便的模块化设计是该系统适应地下环境的先决条件，从实际应用看，系统对地下空间有较好的适应性，但仍存在一定的减重空间，今后将进一步对系统进行优化设计。

(2)合作标靶是该系统的重要特色，在合作标靶的支持下，获取数据的整体精度得到保证，从实际应用来看，布设的合作标靶数量较多，前期工作量相对较大，后续研究中，需进一步加强合作标靶的研究，在标靶材料、形状、尺寸等方面进一步规范化，并深入研究标靶布设方案，尽可能减少标靶布设数量，提高作业效率。

(3)在三维合作标靶的支持下，进行位置姿态的联合解算，对于提高数据解算质量具有重要作用，但严密的解算模型需要大量的研究工作，这是今后研究的重点内容。

(4)地下移动激光测量系统能实现地下空间三维数据的精确获取，但最终的目的还是要更加充分地使用这些数据，因此如何根据移动系统获取地下空间数据的特点，研究数据处理的理论和方法，尽可能获取更多更有价值的信息，更加充实地使用这些数据，则是地下移动激光测量系统今后相当长一段时期内的重要工作。

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[责任编辑：李青]

Development of Underground Space Transportable Laser Surveying System

LI Yong-qiang，GUO Zeng-zhang，LIU Hui-yun，NIU Lu-biao，YAN Yang-yang

(Surveying & Land Information Engineering School，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China)

Abstract：In order to solve the problem that 3-D information of underground space was collected difficulty，underground space transportable laser surveying system was developed.The system included dynamic surveying part and static correction part，dynamic surveying part was integrated highly with many sensors，which included linear laser scanner，high precision IMU and odometer，it was installed on portable movement platform，and 3-D point cloud information of underground space were collected quickly during movement process，static correction part was composed by series 3-D space collaboration targets，which distributed in underground space according some specificity principle，its action was controlling points combination ，and position and attitude of data that collected by movement measurement system were corrected.Some key technological problems of system integrated were illustrated specially，which include hardware system integrate，3-D collaboration targets development，position attitude correction and so on，high efficiency and precision of system was illustrated by its application.

Key words：underground space；transportable laser surveying；collaboration targets；position and attitude correction

[收稿日期]2015-08-19

[基金项目]国家“十二五”科技支撑项目：测绘装备国产化及应用示范(2012BAH34B00)；测绘地理信息公益性行业科研专项经费项目：新一代多平台多波段移动信息采集系统研制(201412020)

[作者简介]李永强(1976-)，男，河南许昌人，副教授，主要从事移动激光测量、矿山测量方面的研究。

[中图分类号]TD17

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)02-0083-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.02.022

[引用格式]李永强，郭增长，刘会云，等.地下空间移动激光测量系统研发[J].煤矿开采，2016，21(2)：83-86.

变形监测技术