車載LiDAR技術對市政道路測量三維精度控制

【摘要】車載LiDAR技術是當前市政道路測量中新興的一種測量技術，對于市政道路測量工作效率的提高有著重要意義，但在實際使用當中，其測量的三維精度上存在一定不足。本文就對車載LiDAR技術的測量原理和流程以及影響測量三維精度的因素進行了分析，并提出了控制測量三維精度的措施，為市政道路測量中車載LiDAR技術的應用提供參考。

【關鍵詞】車載LiDAR技術；市政道路測量；三維精度；控制措施

LiDAR技術即激光探測測距系統，也被稱為激光雷達，其概念興起于上世紀60年代中期，車載LiDAR技術就是以車輛為承載平臺，集合數碼相機、GPS接收機和IMU等多種硬件設備，在數據采集速度和精度上都有所提高，對于市政道路測量有著重要作用，但是受測量精度問題影響，在實際應用中依然無法推廣。

一、車載LiDAR技術測量原理和測量流程

（一）車載LiDAR技術測量原理

車載LiDAR技術的系統構成主要包括CCD數碼相機、激光掃描儀、高精度IMU、GPS接收機、控制系統、升降平臺等，其對數據的獲取是利用三維激光移動掃描實現的，然后將數據傳輸到筆記本中進行處理。

在車載LiDAR系統中，各個構成模塊之間通過機械結構連接在儀器，在測量過程中為保證測量時間的同步性，通常以GPS時間為測量的時間順序，被測點的坐標主要是利用組合導航和各個構成模塊間的相互關系來分析得到。

在實際測量工作當中，車載LiDAR系統的姿態與位置數據，是借助激光掃描獲取的，其掃描光束圍繞旋轉軸進行旋轉，旋轉方向為順時針，掃描的數據經過處理后，即為瞬時掃描坐標系中的坐標，然后通過與激光掃描設備相連接的接收機、車載平臺的單機檢校和系統檢校，得到激光掃描坐標系與IMU、GPS三者的姿態和位置數據[1]。

（二）車載LiDAR技術測量流程

首先，結合被測區域的實際情況和車載LiDAR技術的基本要求，選取合適的控制點，并對控制點進行觀測，確認其周邊是否有阻礙物；然后通過車載LiDAR系統對控制點進行數據采集，并將采集后的數據進行處理；再次，將處理后得到的控制點數據展繪到點云中，即得到被測點的三維數據。

二、市政道路測量中影響車載LiDAR技術三維精度的相關因素

在市政道路的測量中，車載LiDAR技術測量的數據三維精度主要會受以下幾方面的影響：一是IMU、GPS測量精度及組合導航精度，其中，前兩者主要取決于傳感器的精度值情況；二是掃描儀設備的精度，是有儀器本身的測量距離、測量角度和錐掃角共同決定的；三是傳感器彼此空間關系因素，主要是指系統檢校的精準度。

（一） GPS測量精度糾正方法

在車載LiDAR系統中，由于是隨著車輛行駛來進行數據采集的，在行駛過程中，城市環境的不斷變化總免不了GPS信號失鎖問題的發生。

為避免此問題，在車載LiDAR系統已經通過GPS、IMU組成的導航傳感器以及提高設備精度方式來避免。然而，在市政道路的實際測量工作中，車輛行駛過程中周邊環境是不斷變化的，當遇到大型建筑物、過街天橋等情況時，會發生GPS信號短時間內失鎖問題，影響到測量數據的連續性，進而影響測量精度。

針對LiDAR系統車輛載體被周邊環境中物體遮擋引起的數據信號中斷、動態誤差和IMU誤差積累等問題，通過GPS、IMU組合導航方法，能夠在一定程度上消除這種誤差，但無法全部抵消，對此，可以通過在GPS系統中加入已知位置數據進行糾正。根據卡爾曼濾波原理，車載LiDAR系統在GPS信號失鎖時，就會失去此段過程中的GPS數據，進而影響到對下一位置數據的預測，通過引入已知位置數據的方法，即使在沒有GPS數據的情況下，也可以對預測精度進行一定控制，從而提高預測精度[2]。

（二） 激光掃描儀、傳感器空間關系測量精度糾正方法

車載LiDAR系統的傳感器是剛性綁定的，其與載體之間關系是固定的，因此，為保證傳感器測量精度不會受彼此間空間關系干擾，需要在實際使用前進行綜合校驗，主要校驗內容包括：激光掃描儀測角、測距精度、以及測量錐掃角的大小以及各傳感器之間相對位置關系。

三、車載LiDAR技術在市政道路測量三維精度控制措施

從上述可知，車載LiDAR技術測量三維精度的影響因素主要是GPS失鎖和系統本身精度兩個方面，對此，要提高測量三維精度，可以從以下兩方面進行控制：

（一）提高車載LiDAR失鎖狀態下的測量精度

為提高失鎖狀態測量精度，本文采取了在車載LiDAR系統中加入里程計的措施，在系統測量中發生會GPS信號失鎖時，里程計的測量數據會起到輔佐導航作用，進而確保系統測量數據的精準度，但是，在使用此方法時，需要注意以下兩點：

第一，里程計要具有較高的精度。里程計的精度在GPS信號失鎖的時間段內，是影響最終導航精度的直接因素，只有確保里程計設備的精度值，才能最大程度的減小失鎖引起的精度誤差。

第二，里程計設備要與IMU和GPS靠近，使此三者共同構成統一的剛性單元，避免發生非必要的集成測量誤差。

（二）添加一定量的特征控制點

首先，設計與選取控制點。在設計控制點時，要保證控制點容易被識別和觀測，以便于能夠在點云中快速找出控制點；同時，為了避免大量的外業工作，還可以通過市政道路中已有的地面交通標志，比如道路直行箭頭、緊急停車帶中的箭頭等，將其設為特征控制點[3]。

其次，對測量的三維精度進行修正。參照坐標映射的基本原理，將控制點的相關信息錄入到點云數據庫中，并結合實際對控制點信息進行確認，再根據車載LiDAR技術點云數據中的GPS時間線，采取線性內差改正的方法處理兩個相鄰時刻內的三維數據，從而得到精度更高的測量三維數據。在選擇控制點時，彼此之間的距離以500-1000米之間為宜，且不能沿同一直線布置，應當采取道路兩邊交叉選取的方式，在具體跨度上，可以根據被測區域的GPS信號來進行確定。

結語：

車載LiDAR技術作為一種新興的測量技術，其便捷性、高效性對于市政道路測量工作的開展有著重要作用，但是針對目前實際使用中三維精度容易受到影響的問題，還需要采取合理的措施來進行控制，以促進車載LiDAR技術在市政道路測量中的使用。

參考文獻：

[1]楊伯鋼，韓友美.車載移動激光掃描技術大比例尺測圖技術分析[J].測繪科學，2013，01：106-108+15.

[2]韓友美，楊伯鋼.車載LiDAR技術市政道路測量高程精度控制[J].測繪通報，2013，08：18-21+35.

[3]李永強，王文越，鄭艷慧，曹鴻，孫鵬，楊莎莎.基于車載LiDAR數據的道路邊界精細提取[J].河南理工大學學報（自然科學版），2014，04：458-462.