車載激光掃描技術在公路測量中的研究及應用

王維波，周安發，李世偉，王 平，羅勝金

（1.湖北輝宏地理信息有限公司，湖北 武漢 430074；2.湖北省測繪成果檔案館，湖北 武漢 430074）

目前國內關于車載激光掃描在公路中的應用，研究多集中于解決車載激光掃描外業測量[1-3]或內業激光點云數據算法處理[4]，項目案例實踐上多集中于高速公路測繪或地形地貌較好地區的道路測繪[5]，針對高山、高海拔地區的研究應用案例較少。本文針對這一情況，借助西藏那曲地區某縣兩條公路地形地貌相似的特點，設計利用集成的車載激光掃描系統和傳統野外測繪兩種方法，實現縣道兩側各200 m 范圍內道路地形數據的自動獲取和中樁、斷面測量，并根據項目施工測量過程，研究車載激光掃描技術流程和驗證車載激光掃描技術在道路測量應用中的技術優勢和缺陷。

1 車載激光掃描系統組成和工作原理

車載激光掃描系統是一個多傳感器集成系統，主要由三維激光掃描儀、數碼相機、衛星定位系統（GPS）、慣性導航系統（IMU）、載車等部分組成[6]。其工作原理是在載車的頂部架上穩固連接的三維激光掃描系統的傳感器部分，通過GPS 進行所載車輛的定位，取得原點大地坐標的精確數據，再通過IMU 進行車載激光掃描測量系統姿態測量，獲取大地坐標系的三維激光掃描儀偏航角、滾動角及高低角，進而通過激光掃描的方式對待測點逐點的進行掃描測量，獲得待測點相對測繪基準而言的方位角、高低角及距離，通過解算得到待測點的大地坐標數據，地物目標的屬性等信息通過數碼相機同步采集的圖像進行辨識[7]。車載激光掃描儀采集地形數據原理如圖1 所示。

2 實驗方案

2.1 實驗的儀器和性能

選用澳大利亞MaptekI-site8820 三維激光掃描儀，作為本次車載激光掃描試驗勘測儀器，該儀器具有內置同步7 000 萬像素相機，2 km 的掃描距離，高速激光掃描器，能快速的獲取被測物體的三維信息，通過自帶的14 倍望遠鏡鏡頭進行后視和手持控制器進行操作掃描，可以大大提高外業工作效率和降低勞動強度。

圖1 車載激光掃描儀地形圖數據采集原理

MaptekI-site 8820 激光掃描儀的掃描勘測距離長，精準度高，防水、耐高壓、耐低溫性能，符合本項目勘測的要求。其主要技術性能指標如表1 所示。

表1 MaptekI-site8820 激光掃描儀技術性能指標

2.2 場地的選址和流程設計

為了對車載激光掃描測量系統在高海拔復雜地形情況下的精度指標和作業效率進行檢測和分析，研究以西藏那曲地區某縣兩條長度和地形地貌均相似的縣級道路X1（全長約150 km）、X2（全長約144.4 km）改擴建測量為例，在設計上X1 采用傳統測量作業方式，X2 采用新型車載激光掃描技術進行作業，以利于研究車載激光掃描技術應用于道路測量的作業流程和關鍵技術，并對比分析車載激光掃描技術相較傳統作業方式的優勢和不足。設計總體工作流程如圖2 所示。

圖2 公路測量總體工作流程

2.3 實驗過程

2017 年8 月進場，確定勘測試驗場地，并布設首級GPS 控制網和四等水準網，在測區范圍內共布設了15 個首級控制點，230 個點作為一級加密GPS 控制點，在點位選擇上主要考慮點位分布合理，密度均勻，而且便于直接使用。X2 線GPS 控制網中聯測了X1 線獨立坐標系下的D 級GPS 點3 個（G505，G506，G507）。沿線路平均15 km 布設一對首級控制點，同步觀測時間180 min，以便將GPS 定位結果轉換至地面坐標系時作為起算數據，控制測量從X1 線G505，G506，G507 為起點，沿DK，CK，BK，AK，LK 段的線路順序，到尼瑪鄉首級控制G500 結束。

X1 線路采用全野外數字測繪成圖方法，利用GPS-RTK 進行圖根控制測量和碎部點采集，經外業采集、補測、檢測，采用南方CASS9.1 軟件，進行內業編輯成圖。

為保證掃描數據的精度，將X2 線路項目工程分為AK 段50.422 km，BK 段33.58 km，CK 段6.553 km，DK 段23.618 km，LK 段12.541 km，進行分段掃描測量。由于每個工點只掃描了1 次，且各工點之間互相獨立，因此不存在點云塊之間的匹配連接問題。從點云到測繪成果的實現包括點云拼接、數據濾波、數據精簡、地理測量、DEM 建模、縱橫斷面圖生成，整個數據處理采用隨機軟件包I-Site studio 軟件平臺進行處理。獲取的激光點云和1∶1 000 地形圖成果如圖3 和圖4所示。

2.4 關鍵技術難點及解決辦法

2.4.1 測區交通條件較差

測區位于平均海拔4 700 m 的高原地區，最高處海拔超過5 000 m，現場空氣稀薄，地勢落差較大，氣候多變，一天中溫差巨大，加上測區交通條件較差，道路崎嶇顛簸，容易造成外業作業人員凍傷和缺氧。為了減少外業作業工作量和提高工作效率，保證施工進度，考慮采用無人機測繪技術和新型車載激光掃描技術，同樣因氣溫地下，氣候多變，航線落差較大，無法保證無人機的穩定性型，難以進行高效的作業，經實地實驗和技術路線研究分析，采用穩定性更強的車載激光掃描技術，選用儀器工作溫度在-40 ℃～50 ℃，存儲溫度在-40 ℃～70 ℃，具備IP65級防塵、防水。

2.4.2 基準站布設

作業區未收集到國家級、省級控制點和水準點，無法利用已有的測量控制點作為起算點，采用多臺GPS靜態同步觀測的方法，埋設首級控制點，并在X1、X2線路建立相對獨立坐標系，坐標系采用與GPS 同步的WGS84 坐標系，3°帶，中央子午線為92°30′00″，投影面為4 700 m 測區平均高程面，以保證數據成果精度。

圖3 獲取的激光點云數據

圖4 X2 公路改擴建AK-LK 段地形圖（左）和局部放大圖（右）

2.4.3 激光掃描靶標布設

激光掃描儀坐標系與慣導坐標系的原點與坐標軸指向不完全一致，因此 GPS/IMU 組合定位定姿系統提供的位置與姿態不能直接用于車載激光點云的解算，在車載激光掃描系統正式投入使用前，需要對激光掃描儀坐標系與慣導坐標系之間的相對位置關系進行標定，通常通過三維控制點進行車載激光掃描系統的標定[8]。為了對車載激光掃描系統進行高精度的標定，在道路的兩側等間隔布設一對靶標點。

2.4.4 掃描盲區處理

激光測量的一大難點是測量的死角問題，將激光掃描儀安裝在移動車輛上，受車輛高度和掃描儀安裝位置的限制，激光掃描儀部分視場被遮擋，從而會產生一定的掃描盲區。同時道路的沿線交通工程設施，如護欄、廣告牌、橋梁等構筑物的遮擋，也會產生一些激光掃描盲區，盲區會造成點云空洞。本研究為了保障掃描數據的完整性，作業時在車頂部抬高底座，提高激光掃描儀的安裝高度，設計上安裝2 個激光掃描探頭，采用沿道路雙向來回掃描，同時利用GPS-RTK補充采集漏洞區域，完成道路兩側地形圖的完整測繪，在DEM 構建時，采用高程內插的方式，內插出盲區的DEM，以提高作業效率。

2.4.5 車載激光掃描數據的處理

車載激光測量系統具有測量速度快、精度高等優點，但也存在非連續覆蓋和數據量巨大等缺點，阻礙了數據解算處理、傳輸和進一步應用。掃描的激光點云數據具有冗余性主要表現在：一是含有較多的重復數據，同一位置含有多次掃描的數據；二是含有較多的多余數據，如建筑物只需提取墻體邊緣的點云數據，不需要墻面中間的部分；三是點云數據因受到環境等因素的影響而出現噪聲點，產生不屬于掃描目標本身的冗余數據。因此對掃描后的數據處理需進行必要的平滑與去噪及精簡處理，本文借助I-Site studio 軟件設計的點云解算、處理算法，對外業采集的數據進行自動處理。

2.4.6 成果精度評價

在測量中成果精度評價主要采用中誤差的方式。本文公路施工設計對測量數據精度提出了較高的要求，如何保證測量數據的精度，以及如何對成果進行精度平差，設置那些評價指標，對本文成果的控制和研究結論至關重要。本文成果精度平差的指標設定為控制測量平面位置中誤差、高程中誤差檢查，地形圖圖根點中誤差和數據采集完整性檢查，中樁、橫斷面精度檢查。車載激光掃描技術和GPS-RTK 測繪技術成果比較，設置人員投入、儀器投入、成本投入、作業繁瑣程度、成圖精度等指標，比較驗證新技術在效率、精度以及資金投入方面的情況。

2.5 實驗結果

1）利用新型車載激光掃描技術，獲取道路的中樁、斷面測量及帶狀地形圖測繪成果，經過實測控制測量點坐標與點云坐標比較檢查，一共測量了200 個控制點，平均中誤差0.039 m，高程平均誤差0.31 m。在1∶1 000 地形圖精度檢查中，地物點相對于鄰近圖根點的點位中誤差為±4.7 cm，鄰近地物點間距中誤差為±6.7 cm，高程注記點相對于鄰近圖根點的高程中誤差為±5.8 cm。結果表明本次測量數據誤差均在規范要求范圍內，將激光掃描測繪技術應用于1∶1 000帶狀道路測繪采集的數據與傳統GPS-RTK、全站儀一樣是精確可靠的。

2）借助Maptek I-site8820 長距離三維激光掃描技術，在空間基準建立、靶標布設最優方案設計、長距離激光掃描地物精度控制、點云數據自動處理、精度平差控制等技術上進行研究設計，快速獲取了X2 km兩側各200 m 范圍內地形、地貌激光點云數據，并通過配備的Maptek I-Site Studio 內業處理軟件，實現了激光測繪超遠距離地形數據的快速獲取。

3）依據實驗設計的評價指標，車載激光掃描在人員投入、人員設備安全、成本投入、作業效率等方法面具有較大的優勢，但是目前存在儀器成本較高、后期數據處理工作量較大、電腦配置要求較高、存在掃描盲區、掃描精度受基站范圍約束等缺點，總體上表明，將車載激光掃描技術應用于公路測量在成本控制和效率上優勢將日趨明顯。

3 結 語

1）針對西藏那曲某縣高海拔缺氧，氣溫低氣候多變、現場交通條件差特點，制定了兩種測量技術方案，既降低了人工作業的難度，又提高了作業效率和精度，較好地滿足了道路規劃設計、施工測量的需要。

2）研究了車載激光掃描技術應用于道路改擴建測量的方法和關鍵技術難點的解決方案，既實現了激光點云數據的快速獲取，又提高了點云精度的控制。

3）設計兩條相似作業環境的縣級道路為對比，比較分析采用常規GPS-RTK、全站儀測量方法和車載激光掃描方法，在人工、儀器投入、作業效率、成果精度等方面的成本和效率，實驗研究成果針對性強，實用價值高，驗證結果可以作為國內類似項目的參考依據。

4）推動了車載激光掃描技術在國內道路測量中的應用，實現了車載激光掃描技術在高海拔、氣候多變地區的道路測量，發揮了以點帶面的示范作用，對高海拔地區、特殊地形地貌地區的道路測量以及全國其他城市的道路測量工作具有一定的借鑒意義。