城市道路測(cè)繪中車載激光雷達(dá)掃描技術(shù)應(yīng)用研究

秦嘉泰 許 攀 李儒風(fēng) 黃彥剛 段軍魁

（1.河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，石家莊 050018；2.廣州南方測(cè)繪科技股份有限公司石家莊分公司，石家莊 050018；3.天津仁恒和美房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司，天津市 300090）

0 引言

道路是城市環(huán)境中最具活力的區(qū)域，也是城市的血管，對(duì)城市道路定期的監(jiān)測(cè)有利于提高路網(wǎng)作用，為居民出入提供更好的安全通行環(huán)境。將復(fù)雜的城市路網(wǎng)進(jìn)行科學(xué)、全面、低成本地管理，逐漸成為了許多學(xué)者研究城市精細(xì)化管理的重要課題[1-4]。

車載激光雷達(dá)是一種主動(dòng)遙感設(shè)備，其優(yōu)勢(shì)在于突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量法，具備穿透地表覆蓋的森林植被的能力，更好地獲取地形信息[5-8]。將激光雷達(dá)搭載在機(jī)動(dòng)車上，通過(guò)對(duì)道路及其兩側(cè)的掃描來(lái)記錄目標(biāo)的位置和反射強(qiáng)度等信息，可以快速、高密度、低成本、高精度、高自動(dòng)化地完成道路及其沿線設(shè)施的三維信息采集，大大減少了外業(yè)采集的工作量，工作便捷，信息采集高效，精細(xì)化程度高[9-10]。本文針對(duì)城市道路的特征，以實(shí)際工程項(xiàng)目作為背景，利用車載激光雷達(dá)技術(shù)對(duì)城市道路進(jìn)行測(cè)繪，對(duì)測(cè)繪處理過(guò)程和測(cè)繪精度進(jìn)行了詳細(xì)地描述、統(tǒng)計(jì)和分析，對(duì)未來(lái)城市道路測(cè)繪工作具有較好的借鑒意義。

1 工程概況

本文以佛山市順德區(qū)一條路線全長(zhǎng)約8.14km的城市道路工程為例，該道路總體呈東西走向，西側(cè)起點(diǎn)位于與碧桂路相交的路口（樁號(hào)K0+450），向東沿線與多條既有道路相交、終點(diǎn)與黃攬干線相接（樁號(hào)K8+100）。其中，樁號(hào)（K2+150～K2+380）和樁號(hào)（K3+140～K4+620）為既有橋梁段，橋梁段不在本次路面提升改造范圍內(nèi)。德勝東路道路規(guī)劃紅線寬度為60m（順?lè)范?0m），設(shè)計(jì)速度為60km/h，雙向6 車道，道路等級(jí)為城市主干道。

本文測(cè)區(qū)整體高差不大，主干道上樹(shù)木遮擋較少，但是大型貨車較多，不僅行駛較頻繁，主干道應(yīng)急車道上也有部分地段有大型貨車停靠，對(duì)測(cè)量有一定影響。輔道上樹(shù)木茂密，基本遮擋住輔道，并且輔道內(nèi)有小型車輛停放。因此作業(yè)范圍為測(cè)區(qū)內(nèi)的主道部分，不包括測(cè)區(qū)內(nèi)的輔道、跨河橋梁及高架橋部分。

2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

2.1 前期準(zhǔn)備

在外業(yè)數(shù)據(jù)采集前，利用準(zhǔn)備好的地圖數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)地踏勘，確認(rèn)采集范圍內(nèi)的道路交通狀況，采集線路之間的關(guān)聯(lián)性，并在地圖上做好標(biāo)記，以便在外業(yè)線路規(guī)劃中可以進(jìn)行合理安排。提前規(guī)劃基站位置、行駛線路，盡量保證沿衛(wèi)星信號(hào)良好的路段行駛。在踏勘過(guò)程中同時(shí)尋找適合架設(shè)基站的位置及控制點(diǎn)。此外，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)至少提供4～5 個(gè)點(diǎn)的兩套坐標(biāo)信息（WGS84+橢球高/當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系），這兩套坐標(biāo)信息用于計(jì)算參數(shù)，把WGS84 坐標(biāo)點(diǎn)云轉(zhuǎn)到當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系下，這也防止了坐標(biāo)采集出錯(cuò)的情況。

2.2 外業(yè)采集

利用車載激光雷達(dá)掃描技術(shù)進(jìn)行外業(yè)采集，用于獲取橫縱斷面圖、1:500 地形圖、道路特征線、逐樁坐標(biāo)偏離表及路基設(shè)計(jì)偏離表等信息。外業(yè)采集過(guò)程主要分為6點(diǎn)。

2.2.1 標(biāo)靶點(diǎn)的布設(shè)與采集

本文采集環(huán)境為城市道路，考慮到安全因素，無(wú)法在車行道中間的虛線角點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，而道路邊緣線無(wú)標(biāo)線角點(diǎn)，所以需要布設(shè)標(biāo)靶。標(biāo)靶平面坐標(biāo)采用GPS-RTK 進(jìn)行測(cè)量，高程采用四等水準(zhǔn)的觀測(cè)方法進(jìn)行測(cè)量，道路兩側(cè)每隔200 左右布設(shè)一個(gè)點(diǎn)。十字路口左右通視的標(biāo)靶點(diǎn)可布設(shè)在路中間，保證道路兩側(cè)都可以測(cè)量。在路兩側(cè)樹(shù)木較密、橋隧底下等會(huì)造成衛(wèi)星信號(hào)失鎖的地方適當(dāng)加密標(biāo)靶點(diǎn)。

2.2.2 基站架設(shè)

根據(jù)基站布設(shè)的規(guī)劃，每個(gè)基站需架設(shè)在已知坐標(biāo)的點(diǎn)上，同時(shí)，根據(jù)測(cè)區(qū)總長(zhǎng)決定架設(shè)基站的個(gè)數(shù)，一個(gè)基站控制范圍為25km。基站采用靜態(tài)采集模式，為獲取更高的采集精度，基站架設(shè)在控制點(diǎn)上（WGS84經(jīng)緯度及高程信息），采樣間隔設(shè)為0.5s。

2.2.3 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要是由征圖移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)操控軟件ZTControler 進(jìn)行，主要是在移動(dòng)的載體上安裝多種傳感器，在載體移動(dòng)時(shí)，傳感器自動(dòng)采集載體的運(yùn)動(dòng)位置以及周圍環(huán)境和物體的形狀、色彩及影像等各種三維連續(xù)地理空間。

2.2.4 數(shù)據(jù)解算

對(duì)點(diǎn)云軌跡進(jìn)行解算，主要分為以下幾個(gè)步驟：（1）通過(guò)軌跡解算軟件Inertial Explorer 解算出軌跡數(shù)據(jù)（*pos）；（2）通過(guò)征圖數(shù)據(jù)融合軟件ZTPreProcess融合軌跡數(shù)據(jù)和原始激光數(shù)據(jù)（*.rxp），得到具有位置信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)（*.las）；（3）通過(guò)征圖數(shù)據(jù)融合軟件ZTPreProcess進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系下點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.2.5 軌跡糾偏

對(duì)于軌跡糾偏處理，該項(xiàng)目道路側(cè)設(shè)標(biāo)靶點(diǎn)44個(gè)，作為點(diǎn)云數(shù)據(jù)的軌跡糾偏點(diǎn)，其他由甲方提供的檢查點(diǎn)用作精度檢查，主要處理步驟分為：（1）通過(guò)征圖軟件對(duì)軌跡進(jìn)行糾偏處理，選取標(biāo)靶點(diǎn)圓心的點(diǎn)云坐標(biāo)和實(shí)測(cè)坐標(biāo)作為一組同名點(diǎn)，多組同名點(diǎn)構(gòu)成最終軌跡糾正文件，利用控制點(diǎn)對(duì)軌跡進(jìn)行糾正優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)糾偏的目的。（2）重新融合糾正后的軌跡數(shù)據(jù)（*.pos）和原始激光數(shù)據(jù)（*.rxp），得到高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)。標(biāo)靶點(diǎn)和實(shí)測(cè)點(diǎn)高度重合，軌跡糾偏處理精度較高。

2.2.6 數(shù)據(jù)檢查

數(shù)據(jù)檢查主要包含了6部分內(nèi)容，具體如下：（1）覆蓋完整度檢查，對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行分塊，逐個(gè)檢查，保證數(shù)據(jù)完整（紅色為范圍線，方框?yàn)閿?shù)據(jù)框），如圖1(a)所示；（2）點(diǎn)云重疊度檢查，沿道路每隔100m，做一個(gè)橫向切面，檢查點(diǎn)云的平面和高程的重疊度，如圖1(b)所示；（3）點(diǎn)云突變檢查，檢查軌跡數(shù)據(jù)，對(duì)于高程異常的地方，將對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云做出縱切面，確認(rèn)是否為突變點(diǎn)，如圖1（c）所示；（4）點(diǎn)云高程檢查，在有標(biāo)靶點(diǎn)的地方橫切剖面，根據(jù)標(biāo)靶點(diǎn)高程信息對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行高程檢查，如圖1（d）所示；（5）點(diǎn)云精度檢查，利用已有的檢查點(diǎn)，進(jìn)行初步精度檢查，符合要求后即可轉(zhuǎn)交內(nèi)業(yè)進(jìn)行內(nèi)業(yè)工作，由統(tǒng)計(jì)結(jié)果看出，標(biāo)靶點(diǎn)在平面中和高程中的誤差較小，精度較高。

圖1 數(shù)據(jù)檢查示意圖

根據(jù)以上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)檢查結(jié)果，說(shuō)明點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度較高，針對(duì)少量平面、高程精度較差的點(diǎn)云需加入所有標(biāo)靶點(diǎn)后進(jìn)行再次校正，這些校正后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可用于路面特征線提取、點(diǎn)云分類過(guò)濾及抽稀工作。

3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

在完成外業(yè)采集工作后，需要開(kāi)展內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作，主要包括點(diǎn)云分類、特征線繪制以及地形圖繪制。

3.1 點(diǎn)云分類

對(duì)于最終糾偏后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由于其存在大量的無(wú)用數(shù)據(jù)（道路兩旁外點(diǎn)云數(shù)據(jù)、植被點(diǎn)云數(shù)據(jù)、輔道點(diǎn)云數(shù)據(jù)、頂部架橋點(diǎn)云數(shù)據(jù)等）。本文使用Terrasolid軟件對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的過(guò)濾，最終得到道路路面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。目的在于減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)量，排除干擾點(diǎn)云數(shù)據(jù)，便于后期的道路橫斷面作業(yè)處理工作。對(duì)點(diǎn)云自動(dòng)分類結(jié)果需要進(jìn)行交互檢查，主要準(zhǔn)確判斷出地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)兩類。

3.2 特征線繪制

基于最終糾偏后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在SouthLidar中，精確提取道路特征矢量線數(shù)據(jù)信息，用于后續(xù)設(shè)計(jì)選取道路中線。

3.3 地形圖繪制

通過(guò)分層剪裁和三維窗口的輔助，繪制出路燈、凹槽、路牌等地面物體，使地物繪制更加地直觀準(zhǔn)確。通過(guò)對(duì)不同路段三維圖的繪制，最后能夠繪制出來(lái)精準(zhǔn)地形圖和斷面圖。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以佛山市城市道路工程為例，通過(guò)車載激光雷達(dá)掃描技術(shù)對(duì)道路進(jìn)行了外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，可以得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)征圖軟件對(duì)軌跡進(jìn)行糾偏處理，可以使標(biāo)靶點(diǎn)和實(shí)測(cè)點(diǎn)高度重合，數(shù)據(jù)精度能夠較好地滿足道路測(cè)繪需求。

（2）在外業(yè)數(shù)據(jù)采集中引入全景影像技術(shù)，這可以為規(guī)劃部門在規(guī)劃的過(guò)程中進(jìn)行更好地復(fù)核。

（3）在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中通過(guò)過(guò)濾后獲取道路路面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，排除了干擾點(diǎn)云數(shù)據(jù)，有利于提高地形圖繪制效率。

（4）車載激光雷達(dá)技術(shù)在外業(yè)和內(nèi)業(yè)工作中具有智能、快速、便捷的優(yōu)勢(shì)，有利于提高道路監(jiān)測(cè)的效率及自動(dòng)化的水平，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。