車(chē)載激光雷達(dá)在道路養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用

龔其琛 ，李磊

（1.中南勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430000；2.湖北省測(cè)繪工程院，武漢 430000）

1 車(chē)載激光雷達(dá)的現(xiàn)狀

車(chē)載激光雷達(dá)目前在國(guó)內(nèi)外都有了很多應(yīng)用，發(fā)展前景非常廣闊。但與航空雷達(dá)類(lèi)似，其核心的 IMU（慣導(dǎo)系統(tǒng)）依然依靠進(jìn)口，嚴(yán)重制約了在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用與發(fā)展。國(guó)際 LIDAR 廠(chǎng)商在華代理主要包括 RIEGL、Opthch 等。車(chē)載激光雷達(dá)主要用于城市型數(shù)據(jù)采集，即道路、房屋建筑、海岸線(xiàn)、軌道等地物，通過(guò)集成 IMU 及 GPS，可以實(shí)時(shí)移動(dòng)獲取掃描數(shù)據(jù)，并通過(guò)經(jīng)標(biāo)定的高速攝像機(jī)獲取對(duì)應(yīng)影像用于后續(xù)貼紋理等處理。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有北京富斯德公司代理的 Riegl VMX-250 移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)、北京德可達(dá)公司代理的 StreetMapper 移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)、北京麥格天富代理的 Landmark 移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)等，這些移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)都是在汽車(chē)頂部安裝 1～3 個(gè)經(jīng)定標(biāo)的激光掃描儀，并集 POS 系統(tǒng)（IMU+GPS）以及各類(lèi)高速攝影機(jī)。

2010年，我國(guó)在北京召開(kāi)了第一屆全國(guó)激光雷達(dá)對(duì)地觀(guān)測(cè)高級(jí)學(xué)術(shù)研討會(huì)，指出了激光雷達(dá)的發(fā)展走向。國(guó)家“十二五”計(jì)劃中已經(jīng)將激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集及處理放在了一個(gè)重要發(fā)展的戰(zhàn)略位置，未來(lái)國(guó)家將力主發(fā)展激光雷達(dá)及 3S 集成的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多平臺(tái)、多尺度應(yīng)用；而國(guó)際上，激光雷達(dá)的發(fā)展已經(jīng)步入了一個(gè)新的階段，即由地面、移動(dòng)車(chē)載、航空 LIDAR 向航天 LIDAR 轉(zhuǎn)變。據(jù)日本媒體報(bào)道，日本富士通研究所于 2012年10月29日發(fā)布消息稱(chēng)，已開(kāi)發(fā)出了水平和垂直2個(gè)方向檢測(cè)角度均可達(dá)到 140°的激光雷達(dá), 適用于檢測(cè)汽車(chē)后方的車(chē)輛等。

2 車(chē)載激光雷達(dá)在道路養(yǎng)護(hù)中的具體應(yīng)用

2.1 車(chē)載三維激光掃描系統(tǒng)概述

在當(dāng)前城市道路交通網(wǎng)絡(luò)快速化發(fā)展過(guò)程中，雖然我國(guó)已經(jīng)形成了四通八達(dá)的快速公路運(yùn)輸通道，但是由于常年受車(chē)輛碾壓的影響，變形和凹陷程度較為嚴(yán)重，在影響城市道路安全性的同時(shí)，對(duì)國(guó)家整體發(fā)展也造成了極為不利的影響。

簡(jiǎn)單來(lái)講，所謂的“車(chē)載激光雷達(dá)技術(shù)”,其本質(zhì)上是一種測(cè)量技術(shù)，即工作人員通過(guò)將激光測(cè)距與 GPS（全球定位系統(tǒng)）、IMU 和攝影測(cè)量系統(tǒng)等融合在一輛數(shù)據(jù)采集車(chē)上，而后通過(guò)差分 GPS 確定測(cè)量車(chē)精確位置、激光測(cè)距測(cè)量與周?chē)h(huán)境的距離和角度、近景攝影測(cè)量反應(yīng)地物類(lèi)別，以此在確定被測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)的同時(shí)，為后期養(yǎng)護(hù)工作的順利展開(kāi)奠定良好基礎(chǔ)。

2.2 車(chē)載三維激光掃描技術(shù)的實(shí)踐

2.2.1 數(shù)據(jù)采集

在道路養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，為確保養(yǎng)護(hù)工作的規(guī)范化實(shí)施，相關(guān)部門(mén)的工作人員需確保數(shù)據(jù)采集工作落實(shí)到位，而通常來(lái)講,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作前，工作人員還要做好控制測(cè)量，即通過(guò)將測(cè)量設(shè)備安裝到指定位置進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，為后期養(yǎng)護(hù)作業(yè)的落實(shí)奠定基礎(chǔ)。在將車(chē)載激光雷達(dá)應(yīng)用于道路養(yǎng)護(hù)時(shí)，控制網(wǎng)的布設(shè)需謹(jǐn)遵“先整體，后局部；先高級(jí)、后低級(jí)；分級(jí)布設(shè)，逐級(jí)控制”的原則，具體而言，即工作人員需要聯(lián)合經(jīng)檢驗(yàn)后的國(guó)家高級(jí)控制點(diǎn)作為控制網(wǎng)首級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行全球靜態(tài)定位測(cè)量，測(cè)量時(shí)，為了確保測(cè)量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，工作人員可對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行加密處理[1]。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

經(jīng)大量調(diào)研數(shù)據(jù)分析可知，經(jīng)車(chē)載三維激光掃描系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)通常是物理參數(shù)信息的離散點(diǎn)以及帶有噪點(diǎn)的云數(shù)據(jù)，為此，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到可以反映目標(biāo)真實(shí)坐標(biāo)和信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)十分必要，具體而言，其處理如下：

1）數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)時(shí)，主要分為2步：粗配準(zhǔn)和精確配準(zhǔn)，從處理效果來(lái)看，其首先應(yīng)進(jìn)行的是粗配準(zhǔn)，之后進(jìn)行精確配準(zhǔn)。進(jìn)行粗配準(zhǔn)時(shí)，其具體處理流程是：工作人員將噪點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)，確定2個(gè)位置較遠(yuǎn)的點(diǎn)云的相對(duì)位置關(guān)系，從而得到一個(gè)大范圍內(nèi)的平移旋轉(zhuǎn)矩陣。精確配準(zhǔn)是在平移旋轉(zhuǎn)矩陣中進(jìn)行的。在精確配準(zhǔn)過(guò)程中，工作人員需嚴(yán)格按照 ICP 算法公式，將已經(jīng)初步配準(zhǔn)的初始值進(jìn)行更加精確的計(jì)算。

2）噪聲和粗差剔除。根據(jù)大量調(diào)研數(shù)據(jù)分析可知，在車(chē)載三維激光掃描系統(tǒng)的掃描過(guò)程中，也會(huì)得到一些不需要的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的存在會(huì)對(duì)道路的建模造成一定的影響。故此，為從根本上規(guī)避上述問(wèn)題的產(chǎn)生，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，工作人員需要將這些不必要的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除處理。

3）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。在車(chē)載激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，經(jīng)車(chē)載三維激光掃描系統(tǒng)的云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)為站心坐標(biāo)系統(tǒng)，以?huà)呙柚行臑樵c(diǎn)，而在道路建模過(guò)程中，工作人員在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，還要將站心坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為地面坐標(biāo)系。

2.3 提起車(chē)道斷面參數(shù)

2.3.1 提取車(chē)道線(xiàn)參數(shù)

作為道路斷面參數(shù)基準(zhǔn)，在斷面參數(shù)提取過(guò)程中，工作人員需首先提取車(chē)道線(xiàn)。為了確保提取數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度、科學(xué)性和合理性，工作人員需根據(jù)車(chē)道油漆邊緣線(xiàn)對(duì)激光的反射和路邊對(duì)激光反射強(qiáng)度不同提取車(chē)道邊線(xiàn)，并將其作為道路斷面參數(shù)計(jì)算基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。

2.3.2 計(jì)算道路傾斜參數(shù)

在斷面參數(shù)的計(jì)算過(guò)程中，為確保計(jì)算的科學(xué)性、合理性和規(guī)范性，工作人員需使用 terrasolid 激光雷達(dá)處理軟件分類(lèi)出地面點(diǎn)，而后根據(jù)點(diǎn)云擬合數(shù)路面斷面線(xiàn)，對(duì)道路傾斜各項(xiàng)參數(shù)（角度和路線(xiàn)方向傾斜角度）進(jìn)行計(jì)算。

2.3.3 擬合剖面曲線(xiàn)

根據(jù)最小二乘原理，將路面點(diǎn)云擬合成曲線(xiàn)，并尋找最低點(diǎn)，最低點(diǎn)距離最低點(diǎn)左右兩側(cè)較低點(diǎn)的垂直距離即為最大匯水深度。

3 結(jié)語(yǔ)

簡(jiǎn)而言之，在當(dāng)前城鄉(xiāng)一體化建設(shè)進(jìn)程不斷加快的產(chǎn)業(yè)時(shí)代背景下，高速公路工程在促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展的同時(shí)，也滿(mǎn)足了人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活的需求，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，雖然近年來(lái)我國(guó)在建設(shè)規(guī)模和建設(shè)數(shù)量方面取得了突破性進(jìn)展，但無(wú)論是養(yǎng)護(hù)效率還是管理質(zhì)量，始終與它們存在一定的差距，車(chē)載激光雷達(dá)由于具有快速測(cè)定、適合野外作業(yè)、低成本、儀器輕便等特點(diǎn)，并且隨著汽車(chē)的發(fā)展，在測(cè)繪新技術(shù)的不斷創(chuàng)新推動(dòng)下，車(chē)載激光雷達(dá)作為一種先進(jìn)的數(shù)據(jù)獲取手段，憑借實(shí)用性強(qiáng)、精確度高、數(shù)字化程度高、數(shù)據(jù)采樣率高等優(yōu)勢(shì)，必將擁有廣闊的市場(chǎng)前景，因此，對(duì)其應(yīng)用情況及發(fā)展趨勢(shì)的研討工作，可以為車(chē)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的改進(jìn)與完善打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。