車載LiDAR技術在道路改擴建中的應用

王力力

（河南省測繪地理信息局信息中心，河南 鄭州 450003）

1 引言

道路交通行業是國民經濟的基礎性、服務性產業，國民經濟的發展和社會進步的推動需要靠快速、便捷的道路交通網絡來支撐。當前，交通運輸的快速發展要求不斷提高道路使用性能以滿足交通量，但由于設計者對路面結構認識不到位、對交通量預測不準確等原因，部分新建道路使用初期就出現了結構性破壞，或是沒有達到設計年限就出現交通飽和現象，無法滿足社會經濟發展的要求。因此，需要對現有道路進行改建，改善其承載能力及行車舒適性，或是擴建交通量飽和的道路，使其適應社會經濟發展的需要。

車載LiDAR 移動測量技術已成為當今測繪界比較前沿的技術之一，于20 世紀90 年代開始逐步發展起來[1]，是一種快速獲取空間數據的技術手段，被廣泛運用到數字城市、基礎測繪、城市規劃、交通等領域[2-3]。對其關鍵技術進行研究，快速獲取高精度地理信息數據，可促進城市發展和經濟建設，具有廣闊的發展空間[4]。國內學者張熙等將車載激光掃描技術應用于西藏那曲地區的317 線公路改擴建項目，發揮了車載LiDAR 技術不受空域、天氣條件和海拔限制的特點[5]；黃文元等將常規測量方法和車載LiDAR 掃描技術同時用于公路改擴建工程勘測實驗，分別對不同方法獲得的結果統計水平精度和高程精度，分析提出了車載LiDAR 技術應用于公路改擴建工程的優勢[6]。上述研究表明車載LiDAR 技術在道路改擴建中的應用優勢明顯。本文以車載LiDAR系統在道路改擴建中的應用實踐為背景，依托京滬高速公路萊新段改擴建項目，介紹了利用車載LiDAR 系統采集道路數據的工作方法和技術要點。該系統獲取道路點云信息豐富、影像質量高，數據成果滿足相關規范要求，顯著提高了生產效率。

2 車載系統介紹

2.1 系統組成

研究采用的SSW 車載激光測量系統，是首都師范大學與北京四維遠見信息技術有限公司聯合研制的高科技動態坐標測量系統，如圖1 所示，主要由坐標測量、姿態測量、距離測量和影像采集四部分組成。對應的傳感器分別是激光掃描儀、POS 系統、里程計和全景相機，系統數據采集裝備參數如表1 所示。

圖1 SSW車載激光掃描系統

表1 系統數據采集裝備參數

2.2 系統工作原理

車載激光建模測量系統通過GNSS 系統將360°激光掃描儀、慣性陀螺系統、相機和里程計統一為同一時間，使得系統每時刻數據協同一致。里程計、GNSS和慣性導航系統采集的數據用來進行組合導航，獲取系統每時刻的姿態和位置數據[7]。通過激光掃描儀和相機來獲取目標地物的坐標和紋理信息，結合姿態數據融合生成帶有絕對坐標的點云數據[8]。

3 道路三維點云數據采集技術方案

3.1 技術方案

圖2 方案路線圖

車載LiDAR 掃描技術應用于道路改擴建項目的基礎是能夠獲得高精度點云，本文在大量實驗的基礎上，提出了一套獲取高精度點云的方案，如圖2 所示，主要包括數據采集、平面和高程糾正、濾波、特征地物提取、道路三維模型及縱橫斷面DEM 構建等。并采用水準儀、全站儀或GNSS RTK 精確測量其坐標值。 （2）數據采集：①調試設備。確保系統各硬件接口和指示器正常，根據現場狀況調整相機以及激光等設備的參數，如光圈、激光功率、轉速等。②架設GNSS 基站。根據掃描路線的長度和GNSS 基站的覆蓋半徑來選取基站架設位置，相鄰基站間距應不超過覆蓋半徑的兩倍，且需將道路完全覆蓋。③采集數據。根據設定好的行駛計劃和實時道路情況機動進行，盡量勻速慢行，以求獲取較細致的激光點云數據。

（3）點云數據解算：首先，用GNSS 和IMU 對觀測數據進行組合導航計算，獲取IMU 精確位置和姿態數據；其次，將激光掃描的原始極坐標數據轉換為激光掃描坐標系的平面坐標數據；再次，用激光掃描儀和IMU 間的相對旋轉矩陣，將激光平面坐標數據轉換為IMU 坐標系下的平面坐標；最后，用IMU 的位置和姿態數據將IMU坐標系下的點云數據轉換為地理坐標系。 （4）數據質量檢查：對已布設的控制場進行精細掃描，在采集的控制場點云數據中找出空間位置與已測控制點相對應的激光點，將其坐標與控制點的實測坐標進行比對并計算誤差；或者在采集路段選取易于分辨的特征點作為檢查點，并用測量儀器量測其坐標值，與采集數據中的對應激光點坐標進行比對并計算誤差，最后制作精度報告。

4 工程實例

3.2 采集和處理流程

車載LiDAR 系統公路點云數據的采集分為四個階段：任務規劃、數據采集、點云數據解算、數據質量檢查[9]。

（1）任務規劃：①規劃設計資料準備。收集測區的基礎控制測量數據、地形地勢、道路形態、天氣狀況等信息。根據測區的航攝或衛星影像圖，規劃采集路線。②制訂行駛計劃。根據道路類型（如高速公路、高架、橋梁、隧道）和邊坡特征（如洼地、平坡、斷壁）制訂車載平臺行駛計劃。為保證采集精度，需進行雙向數據采集，分別處理。③布設控制場。在測區開闊、遮擋物少的地方，架設基準站進行測量。控制場選定后，選取一定數量具有明顯特征或標記的點位作為控制點，

4.1 測區概況

項目為京滬高速公路萊新段（ 萊蕪樞紐K477+442.5 至新泰樞紐K534+895）、京滬高速蒙陰段（新泰樞紐K534+895 至竹園樞紐K601+340）主干道約130 公里。匝道互通共5 個，分別為萊蕪樞紐、萊蕪東樞紐、鋼城互通、新泰東互通、新泰樞紐，如圖3 所示，項目利用SSW 車載激光掃描系統進行測量，為京滬高速公路改擴建設計提供基礎測繪數據。

4.2 數據獲取

根據項目設計技術要求調試 設備，設置參數，單個基站控制半徑為10 公里，采用雙基站作業模式，保證數據采集精度。LiDAR 數據采集時，車輛行駛速度不超過60 公里，在路政管理車輛同向跟隨、每車道限速并距離采集工作車約300 米的情況下進行數據掃描采集；本次數據采集分四次完成。從萊蕪樞紐向竹園樞紐立交方向測量。按照既定技術方案，對測區改擴建高速公路進行往返掃描，獲得車載點云數據。

圖3 采集路線圖

4.3 數據處理

4.3.1 生成點云數據

根據獲取的GNSS、IMU 和里程計數據進行組合導航解算，查看線路軌跡數據。利用組合導航結果計算生成點云數據，并進行數據質量初步檢查。經過檢查，本次數據內部質量較高。系統采集局部效果如圖4 所示。

圖4 系統采集局部效果圖

4.3.2 點云糾正與精度分析

（1）點云平面糾正：為保障點云內符合精度，對本次數據質量進行預評估，采用往返掃平差、外測控制檢查的方案。平面控制采用RTK 采集，RTK平面精度一般為3 cm。掃描數據平面檢查點個數為785 個，點位誤差分布為0.000 ～0.050 米618個， 占78.7%；0.050 ～0.099 米154 個， 占19.6% ；0.100 ～0.13 米13 個，占1.7%。去除粗差后，點位中誤差為±0.041 m，滿足工程要求。點云數據平面糾正前后效果如圖5 所示。

（2）點云高程糾正：每200 米在高程點對應位置采集點云點，形成高程糾正點對，對點云進行糾正。點云糾正完成后，在每兩控制點中間位置（精度最差處）采集一組同名點用作檢查點，統計成果的高程精度。本次掃描高程檢查點數量為879 個。高程誤差分布 ：0.000 ～0.019 米825 個，占93.8% ；0.020 ～0.043 米54 個，占6.2%。中誤差：Mh=±0.012 m，滿足工程要求。高程糾正前后對比如圖6 所示。

圖5 點云數據平面改正前后對比

圖6 點云數據高程改正前后對比

4.3.3 特征邊線提取

道路面標志包括分道線、路面文字符號、斑馬線等道路模型的重要組成部分。對于道路面標志的提取，利用移動窗口法，找出路面邊界，縮小運算范圍；再通過對點云高差、相鄰點云灰度差值、動態網格點云密度、激光掃描強度值和強度差值的一系列篩選，基本完成對目標點云的提取；最后，根據局部點云間的距離實行聚類歸納，剔除雜點，得到較為清晰準確的路面標志線點云。自動矢量提取效果如圖7 所示。內業自動處理無法采集到的特征點數據，需人工補測。

圖7 自動矢量提取成果

5 結語

通過工程實踐，本文詳細分析了車載激光掃描系統在高速公路改擴建項目中的應用，并進行了精度評定。結果表明，基于車載LiDAR 系統的道路勘測技術可以大大提高道路改擴建測量工程的效率，不但為類似的工程實踐提供了借鑒，同時也拓展了車載LiDAR技術的應用領域。