車載LiDAR技術(shù)對市政道路測量三維精度控制

【摘要】車載LiDAR技術(shù)是當(dāng)前市政道路測量中新興的一種測量技術(shù)，對于市政道路測量工作效率的提高有著重要意義，但在實(shí)際使用當(dāng)中，其測量的三維精度上存在一定不足。本文就對車載LiDAR技術(shù)的測量原理和流程以及影響測量三維精度的因素進(jìn)行了分析，并提出了控制測量三維精度的措施，為市政道路測量中車載LiDAR技術(shù)的應(yīng)用提供參考。

【關(guān)鍵詞】車載LiDAR技術(shù)；市政道路測量；三維精度；控制措施

LiDAR技術(shù)即激光探測測距系統(tǒng)，也被稱為激光雷達(dá)，其概念興起于上世紀(jì)60年代中期，車載LiDAR技術(shù)就是以車輛為承載平臺，集合數(shù)碼相機(jī)、GPS接收機(jī)和IMU等多種硬件設(shè)備，在數(shù)據(jù)采集速度和精度上都有所提高，對于市政道路測量有著重要作用，但是受測量精度問題影響，在實(shí)際應(yīng)用中依然無法推廣。

一、車載LiDAR技術(shù)測量原理和測量流程

（一）車載LiDAR技術(shù)測量原理

車載LiDAR技術(shù)的系統(tǒng)構(gòu)成主要包括CCD數(shù)碼相機(jī)、激光掃描儀、高精度IMU、GPS接收機(jī)、控制系統(tǒng)、升降平臺等，其對數(shù)據(jù)的獲取是利用三維激光移動(dòng)掃描實(shí)現(xiàn)的，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦P記本中進(jìn)行處理。

在車載LiDAR系統(tǒng)中，各個(gè)構(gòu)成模塊之間通過機(jī)械結(jié)構(gòu)連接在儀器，在測量過程中為保證測量時(shí)間的同步性，通常以GPS時(shí)間為測量的時(shí)間順序，被測點(diǎn)的坐標(biāo)主要是利用組合導(dǎo)航和各個(gè)構(gòu)成模塊間的相互關(guān)系來分析得到。

在實(shí)際測量工作當(dāng)中，車載LiDAR系統(tǒng)的姿態(tài)與位置數(shù)據(jù)，是借助激光掃描獲取的，其掃描光束圍繞旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針，掃描的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，即為瞬時(shí)掃描坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，然后通過與激光掃描設(shè)備相連接的接收機(jī)、車載平臺的單機(jī)檢校和系統(tǒng)檢校，得到激光掃描坐標(biāo)系與IMU、GPS三者的姿態(tài)和位置數(shù)據(jù)[1]。

（二）車載LiDAR技術(shù)測量流程

首先，結(jié)合被測區(qū)域的實(shí)際情況和車載LiDAR技術(shù)的基本要求，選取合適的控制點(diǎn)，并對控制點(diǎn)進(jìn)行觀測，確認(rèn)其周邊是否有阻礙物；然后通過車載LiDAR系統(tǒng)對控制點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；再次，將處理后得到的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)展繪到點(diǎn)云中，即得到被測點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)。

二、市政道路測量中影響車載LiDAR技術(shù)三維精度的相關(guān)因素

在市政道路的測量中，車載LiDAR技術(shù)測量的數(shù)據(jù)三維精度主要會(huì)受以下幾方面的影響：一是IMU、GPS測量精度及組合導(dǎo)航精度，其中，前兩者主要取決于傳感器的精度值情況；二是掃描儀設(shè)備的精度，是有儀器本身的測量距離、測量角度和錐掃角共同決定的；三是傳感器彼此空間關(guān)系因素，主要是指系統(tǒng)檢校的精準(zhǔn)度。

（一） GPS測量精度糾正方法

在車載LiDAR系統(tǒng)中，由于是隨著車輛行駛來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的，在行駛過程中，城市環(huán)境的不斷變化總免不了GPS信號失鎖問題的發(fā)生。

為避免此問題，在車載LiDAR系統(tǒng)已經(jīng)通過GPS、IMU組成的導(dǎo)航傳感器以及提高設(shè)備精度方式來避免。然而，在市政道路的實(shí)際測量工作中，車輛行駛過程中周邊環(huán)境是不斷變化的，當(dāng)遇到大型建筑物、過街天橋等情況時(shí)，會(huì)發(fā)生GPS信號短時(shí)間內(nèi)失鎖問題，影響到測量數(shù)據(jù)的連續(xù)性，進(jìn)而影響測量精度。

針對LiDAR系統(tǒng)車輛載體被周邊環(huán)境中物體遮擋引起的數(shù)據(jù)信號中斷、動(dòng)態(tài)誤差和IMU誤差積累等問題，通過GPS、IMU組合導(dǎo)航方法，能夠在一定程度上消除這種誤差，但無法全部抵消，對此，可以通過在GPS系統(tǒng)中加入已知位置數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正。根據(jù)卡爾曼濾波原理，車載LiDAR系統(tǒng)在GPS信號失鎖時(shí)，就會(huì)失去此段過程中的GPS數(shù)據(jù)，進(jìn)而影響到對下一位置數(shù)據(jù)的預(yù)測，通過引入已知位置數(shù)據(jù)的方法，即使在沒有GPS數(shù)據(jù)的情況下，也可以對預(yù)測精度進(jìn)行一定控制，從而提高預(yù)測精度[2]。

（二） 激光掃描儀、傳感器空間關(guān)系測量精度糾正方法

車載LiDAR系統(tǒng)的傳感器是剛性綁定的，其與載體之間關(guān)系是固定的，因此，為保證傳感器測量精度不會(huì)受彼此間空間關(guān)系干擾，需要在實(shí)際使用前進(jìn)行綜合校驗(yàn)，主要校驗(yàn)內(nèi)容包括：激光掃描儀測角、測距精度、以及測量錐掃角的大小以及各傳感器之間相對位置關(guān)系。

三、車載LiDAR技術(shù)在市政道路測量三維精度控制措施

從上述可知，車載LiDAR技術(shù)測量三維精度的影響因素主要是GPS失鎖和系統(tǒng)本身精度兩個(gè)方面，對此，要提高測量三維精度，可以從以下兩方面進(jìn)行控制：

（一）提高車載LiDAR失鎖狀態(tài)下的測量精度

為提高失鎖狀態(tài)測量精度，本文采取了在車載LiDAR系統(tǒng)中加入里程計(jì)的措施，在系統(tǒng)測量中發(fā)生會(huì)GPS信號失鎖時(shí)，里程計(jì)的測量數(shù)據(jù)會(huì)起到輔佐導(dǎo)航作用，進(jìn)而確保系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，但是，在使用此方法時(shí)，需要注意以下兩點(diǎn)：

第一，里程計(jì)要具有較高的精度。里程計(jì)的精度在GPS信號失鎖的時(shí)間段內(nèi)，是影響最終導(dǎo)航精度的直接因素，只有確保里程計(jì)設(shè)備的精度值，才能最大程度的減小失鎖引起的精度誤差。

第二，里程計(jì)設(shè)備要與IMU和GPS靠近，使此三者共同構(gòu)成統(tǒng)一的剛性單元，避免發(fā)生非必要的集成測量誤差。

（二）添加一定量的特征控制點(diǎn)

首先，設(shè)計(jì)與選取控制點(diǎn)。在設(shè)計(jì)控制點(diǎn)時(shí)，要保證控制點(diǎn)容易被識別和觀測，以便于能夠在點(diǎn)云中快速找出控制點(diǎn)；同時(shí)，為了避免大量的外業(yè)工作，還可以通過市政道路中已有的地面交通標(biāo)志，比如道路直行箭頭、緊急停車帶中的箭頭等，將其設(shè)為特征控制點(diǎn)[3]。

其次，對測量的三維精度進(jìn)行修正。參照坐標(biāo)映射的基本原理，將控制點(diǎn)的相關(guān)信息錄入到點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫中，并結(jié)合實(shí)際對控制點(diǎn)信息進(jìn)行確認(rèn)，再根據(jù)車載LiDAR技術(shù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的GPS時(shí)間線，采取線性內(nèi)差改正的方法處理兩個(gè)相鄰時(shí)刻內(nèi)的三維數(shù)據(jù)，從而得到精度更高的測量三維數(shù)據(jù)。在選擇控制點(diǎn)時(shí)，彼此之間的距離以500-1000米之間為宜，且不能沿同一直線布置，應(yīng)當(dāng)采取道路兩邊交叉選取的方式，在具體跨度上，可以根據(jù)被測區(qū)域的GPS信號來進(jìn)行確定。

結(jié)語：

車載LiDAR技術(shù)作為一種新興的測量技術(shù)，其便捷性、高效性對于市政道路測量工作的開展有著重要作用，但是針對目前實(shí)際使用中三維精度容易受到影響的問題，還需要采取合理的措施來進(jìn)行控制，以促進(jìn)車載LiDAR技術(shù)在市政道路測量中的使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊伯鋼，韓友美.車載移動(dòng)激光掃描技術(shù)大比例尺測圖技術(shù)分析[J].測繪科學(xué)，2013，01：106-108+15.

[2]韓友美，楊伯鋼.車載LiDAR技術(shù)市政道路測量高程精度控制[J].測繪通報(bào)，2013，08：18-21+35.

[3]李永強(qiáng)，王文越，鄭艷慧，曹鴻，孫鵬，楊莎莎.基于車載LiDAR數(shù)據(jù)的道路邊界精細(xì)提取[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，04：458-462.