基于車載LiDAR 技術的道路縱橫斷面自動提取方法

羅相濤

（1.廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣東 廣州 510060）

隨著我國城市基礎設施建設的快速發展，早期道路已無法滿足城市發展需要，城市道路的改建、擴建和新建迫在眉睫，因此高效、合理、精確設計道路工程至關重要[1-2]。道路縱橫斷面能真實反映地面的起伏現狀，是道路設計、工程預算和竣工驗收的重要基礎資料。傳統縱橫斷面測量通常采用全站儀、GNSS RTK等方法依據設計中線逐點采集，操作繁瑣，外業工作量大、效率低，無法滿足日益增長的城市基礎設施建設需求[3-4]。車載LiDAR技術作為激光掃描領域的重要分支，以汽車等移動載體為平臺，是集激光掃描系統、高精度定位定姿系統、影像系統、同步控制器于一體的探測技術，具有精度高、測量快、受天氣干擾低等優勢，可快速獲取道路及其兩側地物的三維空間信息，為道路工程設計提供了新方法[5]。眾多學者[6-9]利用LiDAR 點云數據對城區道路進行初始提取，并高效繪制道路縱橫斷面圖，為精細化城市管理提供了新的技術手段；但與高效、完整的需求還存在一定差距。鑒于此，綜合精度和作業效率等相關因素，本文將車載LiDAR 的移動GNSS 數據與連續運行參考站系統（CORS）進行后差分處理，并與IMU 數據融合解算得到航跡數據，進而重新解算原始點云，得到初始點云；再對點云進行著色、降噪、濾波、分類等操作，得到高精度的地面點點云；最后疊加道路設計中線提取縱橫斷面數據，繪制縱橫斷面圖。

1 設計實現

1.1 技術流程

車載LiDAR 的激光掃描儀通常傾斜放置在汽車上，以獲取到目標點的距離等幾何信息。車載GNSS記錄行駛過程中的地理位置，IMU 同時記錄激光掃描儀的俯仰角、側滾角和航偏角等姿態數據，全景相機動態獲取地物表面的影像信息[10]。根據上述原理，本文設計的道路縱橫斷面提取流程見圖1，包括數據采集、航跡解算、點云處理、縱橫斷面提取4 個步驟。

圖1 技術流程圖

1.2 數據采集

數據采集是數據應用的先驅。車載LiDAR數據采集前，首先需對作業區進行實地踏勘，制定作業方案，規劃行駛路線，綜合交通情況、天氣預報等因素，確定采集時間段。在GNSS 信號良好的空曠區域安裝設備，依次開啟控制器、IMU/GNSS、全景相機、激光掃描儀等系統，查看控制端與設備連接、設備運行狀態是否正常并設置采集參數。開啟IMU后，車載LiDAR 應原地靜止5 min 再行駛一段L 形路線，使IMU 初始化。全景相機設置為按距離觸發。以CORS 為基站，車載GNSS 接收的衛星數量應大于6 顆。各項準備工作完成后，沿規劃路線采集數據。車速為60 km/h，避免急剎車、倒車、急轉；在樹下、橋下應平穩行駛，記錄影響數據質量或完整性的問題。采集作業完成后，從控制器中完整拷貝采集數據，依次關閉各采集設備，最后關閉車載Li-DAR電源。

1.3 航跡解算

車載LiDAR的航跡解算又稱POS解算，其目的是獲取車載LiDAR在某一時間（UTC）精確的經緯度坐標值、航速和角度值[11]。本文采用Inertial Explorer（GNSS/IMU）后處理軟件進行航跡解算，主要包括原始數據轉換、耦合處理（GNSS 后差分解算、GNSS/IMU 組合解算、平滑處理）、輸出結果等步驟。原始基站和車載GNSS 數據格式先轉換為程序能識別的GPB格式；同時根據實際情況輸入偏心分量、IMU測姿；可按時間間隔（0.005 s，即1 s輸出200個點）或距離間隔（1 m，即1 m輸出1個點）輸出WGS84坐標系下的航跡數據。

1.4 點云處理與縱橫斷面提取

點云處理主要包括點云解算、點云降噪和點云濾波分類。縱橫斷面提取包括里程文件編制和縱橫斷面圖繪制，工作量巨大。CAD作為設計軟件，不僅可以加載點云，而且提供了二次開發工具，在實際工作中應用廣泛[12]。本文采用CAD VBA開發了縱橫斷面提取工具，首先在地面點點云上疊加設計中線，由于地面點不會完全在斷面線上，需設置閾值將搜索范圍內的地面點歸為斷面點云，將距離中樁最近點云的高程視為中樁高程；然后計算斷面上各點與中樁的距離和高差，并按一定格式生成道路里程文件；最后調用CAD繪圖工具生成縱橫斷面圖。道路縱橫斷面提取界面見圖2。

圖2 道路縱橫斷面提取界面

2 工程實例應用

本文以海寧市鵑湖公園周邊道路改造工程為實例，論證本文方法的可行性。項目范圍東至環城東路、南至江南大道、西至碧云南路、北至海州東路，路線總長10 km，2021 年9 月29 日進行了首次數據采集，采集時氣溫為32℃、微風、空氣質量優（PM2.5＜35），采集耗時2 h。項目采用華測AS-900 多平臺激光雷達系統（車載方式），整體發射頻率為55 萬點/s，最大測距為920 m，IMU 后處理位置誤差水平為0.01 m，垂直為0.02 m，航向誤差為0.017°。項目采用Inertial Explore 解算航跡，采用隨機軟件CoPre 進行點云融合、著色、坐標轉換和初步去噪，采用TerraSolid 進行點云分類獲取地面點，最終通過開發工具提取斷面98 條。數據處理設備采用聯想ThinkPad-P1（CPU 型 號IntelE-2176M、CPU 主 頻2.7 GHz、RAM 32 GB），處理耗時3.5 h。提取過程部分效果見圖3～6。

圖3 原始點云

圖4 點云降噪濾波

圖5 點云分類（整體）

圖6 疊加線路中心

縱橫斷面提取精度取決于地面點云精度，本文采用人工實地測量道路標志線角點的方法對點云進行精度評價。點云在反射強度模式下可清晰查看標志線點云坐標與人工測量坐標的差值。實地共測量173 個標志點，通過比較得到與對應點云在3 個方向上的誤差（表1），可以看出，高程誤差最大為4.2 cm，平面誤差最大值為7.4 cm；高程中誤差為3.5 cm，平面中誤差分別為3.2 cm、3.3 cm，說明高程精度高于平面精度。在高程方向，由于道路地面較平坦，高程變化不大，可反映實際測量精度；而在平面方向，雖然道路路面點云密度達到100個/m2，但標志線角點坐標還是不能完整獲取，會帶來一定誤差。

表1 車載LiDAR點云檢測精度統計/cm

通過開發工具共提取98條斷面，人工實地沿斷面測點127個，以檢核提取斷面的相對精度（表2），可以看出，基于點云提取的斷面相對精度，高程誤差最大值為3.7 cm，平面誤差最大值為6.3 cm；高程中誤差為3.6 cm，平面中誤差分別為3.3 cm、3.3 cm，說明華測AS-900 多平臺激光雷達系統在道路測量中的高程精度優于4 cm，平面精度優于5 cm，可滿足道路縱橫斷面提取的精度要求。

表2 基于點云提取的斷面相對精度統計/cm

3 結語

車載LiDAR具有作業周期短、勞動強度低、測量精度高等優點。本文在車載LiDAR直接獲取道路沿線三維地表信息的基礎上，結合點云處理軟件和縱橫斷面提取軟件，設計了適用于道路縱橫斷面測量的技術流程，實現了道路縱橫斷面的自動快速提取。工程應用表明，車載LiDAR是獲取道路縱橫斷面最具優勢的測量方法之一，能滿足道路維護測量、改擴建測量的需求。