車載激光雷達在道路養護中的應用

劉文文 江小利 顧鵬飛

摘 要：我國的交通網絡經過多年快速發展，已經形成了四通八達的快速公路運輸通道。然而道路常年被車輛的碾壓和磨損，車道必然會產生變形和凹陷。本文通過車載激光雷達掃描技術，對道路縱橫斷面參數進行計算分析，供道路養護部門進行參考，以保障道路出行安全。

關鍵詞：三維激光雷達；道路養護；道路剖面

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.093

1 車載三維激光掃描系統

車載三維激光掃描系統主要是將激光測距與GPS（全球定位系統）、IMU（慣導系統）和攝影測量系統等融合在一輛數據采集車上形成的現代化測量技術。它通過差分GPS確定測量車的精確位置，通過激光測距測量與周圍環境的距離和角度，通過近景攝影測量反應地物類別。該系統通過測量發射激光的水平角、垂直角和發射激光脈沖測量距離，來確定被測點的三維坐標。

2 數據采集

在進行數據采集前首先開展控制測量。控制網布設過程中應遵循“先整體，后局部；先高級、后低級；分級布設，逐級控制”的原則。首級控制網采用全球靜態定位測量，聯測經檢驗后的國家高級控制點作為控制網首級控制點。在對首級控制點進行加密時可采用快速靜態定位測量或者靜態全球定位系統測量的方法。做好控制后便可以安裝設備進行車載雷達掃描采集路面及周圍環境數據。

3 數據處理

通過車載三維激光掃描系統采集的數據為帶有空間位置信息和一些反射強度、回波次數等物理參數信息的離散點。獲得的點云數據不僅有噪點而且所獲得點云坐標系并非地面坐標系統下的坐標數據，所以需要進行數據的預處理和坐標轉換以得到可以反映目標真實坐標和信息的點云數據。故而需要對動態掃描獲取的點云數據進行如下處理。

3.1 數據配準

配準主要分為兩步，首先要進行粗配準，然后進行精確配準。粗配準主要是將點云進行平移和旋轉，把兩個距離較遠的點云的相對位置關系確定下來。得到一個大致準確的平移旋轉矩陣。精確配準是使用ICP算法公式（1）或者該算法的各種變種，將已經初步配準的初始值進行更加精確的計算得到精確的平移旋轉矩陣。

ICP配準的算法：

（1）

3.2 噪聲和粗差剔除

車載三維激光掃描系統在掃描過程中難免會掃描到不需要的物體，比如車輛、行人和植物等非公路屬性的點云數據，還有掃描過程中的粗差數據。這些可能會干擾對道路的建模，所以要將這些噪聲和粗差剔除。

3.3 坐標轉換

原始點云數據的坐標系統為站心坐標系統，以掃描中心為原點。然而實際應用中需要的多為地面坐標系。所以要將站心坐標系轉化為地面坐標系。坐標轉換需要七個參數，平移參數，旋轉參數α、β、γ和比例尺參數R。 轉換方程為：

（2）

應用公式（2），按間接平差的原理通過至少三個公共點列出誤差方程，根據最小二乘原理，求解出七個轉換參數。實現點云數據由站心坐標系到地面坐標系的轉換。

4 車道斷面參數提取

4.1 車道線提取

車道線是道路斷面參數的基準，首先應該提取道路車道線。激光點云數據除坐標信息外，還有回波次數、反射強度等信息。反射強度信息在一定程度上反映不同對象之間的差異，如材質和紋理等特性。其原理為激光射到被測物體表面時會發生散射或被吸收導致反射回發射器的激光減少，引起射強度的差異。本文根據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，作為道路橫斷面參數計算的基準，以車道線法線作為道路剖面的起始點。

4.2 計算道路傾斜參數

使用terrasolid激光雷達處理軟件分類出地面點。根據點云擬合數路面斷面線，進而計算道路傾斜各項參數（如圖1）所示。計算車道傾斜角度和路線方向傾斜角度。沿路線截面提取路面信息根據道路中線與地面點計算道路中線至左右兩側道路邊線傾斜角度和前進方向傾斜角度。沿路線截面拉剖面，發現道路向北傾斜，南側車道較為平坦，坡度僅為0.4度。北側坡度較大，坡度達到3.2度 。

4.3 擬合剖面曲線

以航跡線為基準計算法向量顯示坡度得到車道位置，根據最小二程原理，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較低點的垂直距離即為最大匯水深度。這些參數對車輛在行駛過程中的安全保證有著重要意義。

5 結語

公路建成通車后，因承受車輪的磨損和沖擊，受到暴雨、洪水、風沙、冰雪、日曬、冰融等自然力的侵蝕和風化，以及人為的破壞和修建時遺留的某些缺陷，公路使用質量會逐漸降低。車道經常受到摩擦和碾壓部分產生的車轍將低于周邊路面，車轍在遇到雨雪天氣會產生積水現象。高速行駛的車輛在這種環境下可能產生危險。因此，公路建成通車后必須采取養護維修措施，并不斷進行更新改善。采用車載激光雷達對道路地面進行掃描，并對數據進行配準、去噪和坐標轉換。經過分類后可以獲取道路的高精度地面模型，計算道路道路斷面參數和匯水深度。道路養護部門根據點云和斷面參數數據，對路面進行維護和搶修，保持公路暢通。

參考文獻：

[1]王濤.機載激光雷達技術在山區公路勘察設計中的應用[J].西部交通科技，2018（04）.

[2]湯偉，蔡能.雷達技術在公路工程中的應用及開發前景[J].廣西交通科技，1998（04）.

作者簡介：劉文文（1990-），男，河南信陽人，碩士，研究方向：航空攝影測量與遙感。