車載激光雷達在道路養(yǎng)護中的應用

龔其琛 ，李磊

（1.中南勘察設計院集團有限公司，武漢 430000；2.湖北省測繪工程院，武漢 430000）

1 車載激光雷達的現(xiàn)狀

車載激光雷達目前在國內(nèi)外都有了很多應用，發(fā)展前景非常廣闊。但與航空雷達類似，其核心的 IMU（慣導系統(tǒng)）依然依靠進口，嚴重制約了在國內(nèi)的應用與發(fā)展。國際 LIDAR 廠商在華代理主要包括 RIEGL、Opthch 等。車載激光雷達主要用于城市型數(shù)據(jù)采集，即道路、房屋建筑、海岸線、軌道等地物，通過集成 IMU 及 GPS，可以實時移動獲取掃描數(shù)據(jù)，并通過經(jīng)標定的高速攝像機獲取對應影像用于后續(xù)貼紋理等處理。國內(nèi)現(xiàn)有北京富斯德公司代理的 Riegl VMX-250 移動激光掃描系統(tǒng)、北京德可達公司代理的 StreetMapper 移動激光掃描系統(tǒng)、北京麥格天富代理的 Landmark 移動激光掃描系統(tǒng)等，這些移動激光掃描系統(tǒng)都是在汽車頂部安裝 1～3 個經(jīng)定標的激光掃描儀，并集 POS 系統(tǒng)（IMU+GPS）以及各類高速攝影機。

2010年，我國在北京召開了第一屆全國激光雷達對地觀測高級學術(shù)研討會，指出了激光雷達的發(fā)展走向。國家“十二五”計劃中已經(jīng)將激光雷達數(shù)據(jù)采集及處理放在了一個重要發(fā)展的戰(zhàn)略位置，未來國家將力主發(fā)展激光雷達及 3S 集成的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多平臺、多尺度應用；而國際上，激光雷達的發(fā)展已經(jīng)步入了一個新的階段，即由地面、移動車載、航空 LIDAR 向航天 LIDAR 轉(zhuǎn)變。據(jù)日本媒體報道，日本富士通研究所于 2012年10月29日發(fā)布消息稱，已開發(fā)出了水平和垂直2個方向檢測角度均可達到 140°的激光雷達, 適用于檢測汽車后方的車輛等。

2 車載激光雷達在道路養(yǎng)護中的具體應用

2.1 車載三維激光掃描系統(tǒng)概述

在當前城市道路交通網(wǎng)絡快速化發(fā)展過程中，雖然我國已經(jīng)形成了四通八達的快速公路運輸通道，但是由于常年受車輛碾壓的影響，變形和凹陷程度較為嚴重，在影響城市道路安全性的同時，對國家整體發(fā)展也造成了極為不利的影響。

簡單來講，所謂的“車載激光雷達技術(shù)”,其本質(zhì)上是一種測量技術(shù)，即工作人員通過將激光測距與 GPS（全球定位系統(tǒng)）、IMU 和攝影測量系統(tǒng)等融合在一輛數(shù)據(jù)采集車上，而后通過差分 GPS 確定測量車精確位置、激光測距測量與周圍環(huán)境的距離和角度、近景攝影測量反應地物類別，以此在確定被測點三維坐標的同時，為后期養(yǎng)護工作的順利展開奠定良好基礎(chǔ)。

2.2 車載三維激光掃描技術(shù)的實踐

2.2.1 數(shù)據(jù)采集

在道路養(yǎng)護過程中，為確保養(yǎng)護工作的規(guī)范化實施，相關(guān)部門的工作人員需確保數(shù)據(jù)采集工作落實到位，而通常來講,進行數(shù)據(jù)采集工作前，工作人員還要做好控制測量，即通過將測量設備安裝到指定位置進行數(shù)據(jù)的采集，為后期養(yǎng)護作業(yè)的落實奠定基礎(chǔ)。在將車載激光雷達應用于道路養(yǎng)護時，控制網(wǎng)的布設需謹遵“先整體，后局部；先高級、后低級；分級布設，逐級控制”的原則，具體而言，即工作人員需要聯(lián)合經(jīng)檢驗后的國家高級控制點作為控制網(wǎng)首級控制點進行全球靜態(tài)定位測量，測量時，為了確保測量數(shù)據(jù)的精準度，工作人員可對控制點進行加密處理[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)信息的離散點以及帶有噪點的云數(shù)據(jù)，為此，進行數(shù)據(jù)預處理和坐標轉(zhuǎn)換得到可以反映目標真實坐標和信息的點云數(shù)據(jù)十分必要，具體而言，其處理如下：

1）數(shù)據(jù)配準。進行數(shù)據(jù)配準時，主要分為2步：粗配準和精確配準，從處理效果來看，其首先應進行的是粗配準，之后進行精確配準。進行粗配準時，其具體處理流程是：工作人員將噪點云數(shù)據(jù)進行平移和旋轉(zhuǎn)，確定2個位置較遠的點云的相對位置關(guān)系，從而得到一個大范圍內(nèi)的平移旋轉(zhuǎn)矩陣。精確配準是在平移旋轉(zhuǎn)矩陣中進行的。在精確配準過程中，工作人員需嚴格按照 ICP 算法公式，將已經(jīng)初步配準的初始值進行更加精確的計算。

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

3）坐標轉(zhuǎn)換。在車載激光雷達技術(shù)應用過程中，經(jīng)車載三維激光掃描系統(tǒng)的云數(shù)據(jù)坐標系統(tǒng)為站心坐標系統(tǒng)，以掃描中心為原點，而在道路建模過程中，工作人員在進行數(shù)據(jù)處理時，還要將站心坐標系轉(zhuǎn)化為地面坐標系。

2.3 提起車道斷面參數(shù)

2.3.1 提取車道線參數(shù)

作為道路斷面參數(shù)基準，在斷面參數(shù)提取過程中，工作人員需首先提取車道線。為了確保提取數(shù)據(jù)的精準度、科學性和合理性，工作人員需根據(jù)車道油漆邊緣線對激光的反射和路邊對激光反射強度不同提取車道邊線，并將其作為道路斷面參數(shù)計算基準進行計算。

2.3.2 計算道路傾斜參數(shù)

在斷面參數(shù)的計算過程中，為確保計算的科學性、合理性和規(guī)范性，工作人員需使用 terrasolid 激光雷達處理軟件分類出地面點，而后根據(jù)點云擬合數(shù)路面斷面線，對道路傾斜各項參數(shù)（角度和路線方向傾斜角度）進行計算。

2.3.3 擬合剖面曲線

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

3 結(jié)語

簡而言之，在當前城鄉(xiāng)一體化建設進程不斷加快的產(chǎn)業(yè)時代背景下，高速公路工程在促進國民經(jīng)濟進一步發(fā)展的同時，也滿足了人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活的需求，但與發(fā)達國家相比，雖然近年來我國在建設規(guī)模和建設數(shù)量方面取得了突破性進展，但無論是養(yǎng)護效率還是管理質(zhì)量，始終與它們存在一定的差距，車載激光雷達由于具有快速測定、適合野外作業(yè)、低成本、儀器輕便等特點，并且隨著汽車的發(fā)展，在測繪新技術(shù)的不斷創(chuàng)新推動下，車載激光雷達作為一種先進的數(shù)據(jù)獲取手段，憑借實用性強、精確度高、數(shù)字化程度高、數(shù)據(jù)采樣率高等優(yōu)勢，必將擁有廣闊的市場前景，因此，對其應用情況及發(fā)展趨勢的研討工作，可以為車載激光雷達系統(tǒng)的改進與完善打下堅實的基礎(chǔ)。