車載LIDAR技術在高速公路擴改建中的應用研究

■劉志成

(新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院新疆烏魯木齊830006)

車載LIDAR技術在高速公路擴改建中的應用研究

■劉志成

(新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院新疆烏魯木齊830006)

大規模的高速公路改擴建已成為我國公路工程建設中的一個熱點。傳統全野外的測量方式來獲取高速公路中央及每各個斷面測量數據對測量人員的人身安全構成了重大隱患。同時，考慮到傳統全野外的測量周期長以及人力物力高成本的經濟投入，難以適應當前大規模增長的高速公路及城市路網改擴建需求。車載LiDAR(Light Detection And Ranging)技術應運而生，對提高效率和節約成本具有重大意義。車載激光測量系統可以快速采集公路三維信息，包含點云坐標、屬性信息、影像數據等,點云具有精度高、信息豐富等特性，滿足道路新建、改建、擴建、維護等工程對專業測量的高效、精確、快速、安全等日益迫切需求。

車載激光掃描濾波

0 車載激光掃描系統分析

LIDAR(Light Detection And Ranging)掃描技術的測量原理是基于角度和距離測量的幾何數據獲取方法。其過程是：從傳感器上發射的激光信號被地面目標反射后，被LIDAR掃描系統上的接收單元接收，根據發射和接收之間的時間差，可以計算出傳感器與地面目標之間的距離，依次掃描被測區域，快速獲得地面景觀的二維坐標和反射光強。

圖1 車載Lidar系統集成圖

系統運行過程中可以同步完成各傳感器的數據獲取與存儲，包含GPS和IMU的定位定姿數據、里程計的行駛數據、激光掃描儀的激光脈沖數據和面陣相機的影像數據，如圖1。系統工作時，以GPS時間為主導保證時間的同步和協調,激光掃描儀獲取掃描中心到被探測目標物的距離和點之間的角度變化信息，來計算目標點在激光坐標系下的坐標。而激光掃描中心與GPS/INS(Inertial navigation system)導航系統之間的空間位置關系己經提前檢校好，且激光掃描儀與GPS/INS導航系統之間通過GPS時間戳進行精確時間同步，最終可確定實測目標點的大地坐標。

1 基站架設與靶標布設

為了控制激光掃描數字地面模型的精度，以及便于檢查生成的數字地面模型的精度，需要在道路周邊進行地面數據采集工作。地面數據采集包括：為配合航空數據采集布設基站以外，還在地面布設并測量了地標點、路基外側一定數量的地形點和路面部分一定數量橫斷面上的點位。具體布設方案如下：

（1）地面靶標點按平行于高速公路道路方向分四排布設，道路兩側路肩各布設一排，道路兩側距路邊約150米范圍內各布設一排，地標點間距約500米，兩側呈交叉布設，噴涂白色油漆作為靶標。

（2）高速公路沿線的特征地物點的布設。如公路的急轉彎點，路旁建筑物的四角，路燈底部，交通標識底部，立交邊緣等。可以確保所布設的靶標控制點和檢查點可以在點云中清晰而準確地識別，從而提高點云數據精度和提高作業效率。

（3）地面靶標點和地面控制點測量采用靜態GPS測量，按四等GPS測量要求進行觀測。高程采用四等水準方法測量，組成閉合或附合水準測量網。散點、邊坡點和路基外橫斷面點，這些點的平面坐標和高程均使用GPS-RTK方法測量，測量散點坐標還同時測量了地面散點所處位置的植被高度。

2 激光點云濾波處理

由于LiDAR數據是隨機的采集數據，在三維空間中呈現不規則、離散的狀態，也被稱為LiDAR“點云”，這些點云中部分點是真實地面的點，部分點是地物點（屋頂、樹木、電線等），極少數是既不屬于地物點也不屬于地面點的點。在進行LiDAR數據處理時，一個必要的前提就是給定一個規則來區分地面點和非地面點。LiDAR點云的濾波就是要從原始的LiDAR數據中濾掉非地面點，保留有效的地形信息。

濾波是處理LiDAR數據的關鍵。濾波算法的基本原理是基于局部地形的連續性變化這一個假設，算法設計的關鍵在于如何快速準確的檢測出局部的高程突變。濾波的算法比較多(如:移動窗口法、形態學濾波法、迭代線性最小二乘內插法、高程紋理分析法、基于地形坡度濾波法等)。

迭代線性最小二乘內插濾波法是常用的一種算法,其核心思想是：地物點的高程比對應區域周圍地形點的高程高。內插后激光腳點高程與擬合面的擬合殘差不服從正態分布。地物點的擬合殘差都為正值，且偏差較大，對應地面點的擬合殘差較小且可能為負值。該方法需要迭代進行，首先按所有點等權的方式計算激光腳點在窗口內的高程均值或使用先驗的估值，并將其作為初始擬合表面模型，該表面實際上是介于真實地面(DTM)和植被覆蓋面(DSM)之間的面。然后計算各激光腳點高程值和擬合面的殘差V，根據殘差對每個點計算權重P其權函數關系式(1-1)為:

式中：參數a和b決定了權函數的變化幅度，通常a、b取1和4；參數g選擇一個合適的負數，其值可根據殘差統計直方圖確定。

計算出每個觀測值的權P后，就可進行下一步的迭代計算。依據是：殘差負的越多，其對應激光腳點賦予更大的權；對于居中殘差的點賦予較小的權；對于殘差大于g+w的數據點就認為是地物點,賦予零權重，將其剔除掉。然后，對定權的各個腳點進行判斷，權重大的點就認為是地面點，權重小的點就是地物點，如此計算出新的擬合表面模型。最后，對新擬合表面模型重新計算被剔除點的殘差，如果殘差落在本次吸收域g+w內，則在前一次擬合中判定為非地形點而被剔除的點，可重新被吸收為地形點，參加新的擬合計算。如此反復迭代，直到滿足最終條件為止，流程圖見圖2。

3 測量精度控制

此次試驗選取的線路位于新疆某高速改礦建工程中段，選擇里程50km至80km的30km范圍路段進行測試。采用WGS84坐標系和高斯三度帶投影，中央子午線移與高速工程坐標系保持一致。首先選擇并設立控制網，主要用來求取系統的初始參數。控制網新疆某高速沿線布設，測量并選取60個控制點的坐標值做精度比對真值。然后，利用車載激光測量系統對控制網內進行了掃描，并對掃描結果進行了精度檢測。點云精度數據統計如表1，

同時，在新疆某高速擴改建工程里程50km至80km處進行了數據采集，并選取了167個檢查點，精度檢測結果如表2。

試驗數據的精度檢測結果表明,在GPS信號良好和人工因素干擾較少的情況下，系統成果完全可以滿足1:2000比例尺成圖要求，也符合公路改擴建工程的精度需求。

圖2 迭代線性最小二乘內插濾波法流程圖

表1 控制 査點精度檢 統計表

表2 檢查點精度檢查統計表

4 應用及展望

項目依托新疆某高速公路改擴建工程，對車載移動掃描測量系統進行應用研究，通過對平面控制點、高程檢驗點以及激光掃描測量點等數據的檢驗，對實驗數據進行處理以及誤差分析，得出相關實驗結論。根據對實驗結論的分析，本項目的研究成果達到了技術考核指標要求，試驗數據的精度檢測結果表明，在GPS信號良好和人工因素干擾較少的情況下，系統成果可以滿足1:2000比例尺成圖要求，也符合公路改擴建工程的精度需求。

車載激光測量系統正是由于其高效、高精度、信息量豐富和節約成本等特點所以發展前景良好。精度高的特點使其能應用于各種高要求的測量領域，點云數據匹配影像數據的應用方式增加了點云模型的直觀性和利用價值。在老路改擴建工程中應用，亦僅需測量人員進行少量輔助外業測量工作，同樣一次測量可以滿足道路改擴建線路設計初測和詳測需求，由于后期的數據處理成本低，能降低測量成本。如果推廣到其他行業如規劃、電信、公安、導航、軍事等，將會帶來巨大的經濟效益。

[1]袁夏.三維激光掃描點云數據處理及應用技術.南京:南京理工大學,2006.

[2]趙永國,黃文元.地面三維激光掃描技術與公路工程的試驗研究 [J],中外公路, 2009(08).

[3]公路勘察規范JTOC10-2007.

[4]謝向進.三維激光掃描用于公路勘測的可行性分析 [J].地球,2014:234-235.

U46[文獻碼]B

1000-405X（2016）-6-479-2

劉志成，男，碩士，研究方向為交通勘測與3S技術研究與應用。