車載LIDAR技術(shù)在高速公路擴(kuò)改建中的應(yīng)用研究

■劉志成

(新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院新疆烏魯木齊830006)

車載LIDAR技術(shù)在高速公路擴(kuò)改建中的應(yīng)用研究

■劉志成

(新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院新疆烏魯木齊830006)

大規(guī)模的高速公路改擴(kuò)建已成為我國(guó)公路工程建設(shè)中的一個(gè)熱點(diǎn)。傳統(tǒng)全野外的測(cè)量方式來獲取高速公路中央及每各個(gè)斷面測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)量人員的人身安全構(gòu)成了重大隱患。同時(shí)，考慮到傳統(tǒng)全野外的測(cè)量周期長(zhǎng)以及人力物力高成本的經(jīng)濟(jì)投入，難以適應(yīng)當(dāng)前大規(guī)模增長(zhǎng)的高速公路及城市路網(wǎng)改擴(kuò)建需求。車載LiDAR(Light Detection And Ranging)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，對(duì)提高效率和節(jié)約成本具有重大意義。車載激光測(cè)量系統(tǒng)可以快速采集公路三維信息，包含點(diǎn)云坐標(biāo)、屬性信息、影像數(shù)據(jù)等,點(diǎn)云具有精度高、信息豐富等特性，滿足道路新建、改建、擴(kuò)建、維護(hù)等工程對(duì)專業(yè)測(cè)量的高效、精確、快速、安全等日益迫切需求。

車載激光掃描濾波

0 車載激光掃描系統(tǒng)分析

LIDAR(Light Detection And Ranging)掃描技術(shù)的測(cè)量原理是基于角度和距離測(cè)量的幾何數(shù)據(jù)獲取方法。其過程是：從傳感器上發(fā)射的激光信號(hào)被地面目標(biāo)反射后，被LIDAR掃描系統(tǒng)上的接收單元接收，根據(jù)發(fā)射和接收之間的時(shí)間差，可以計(jì)算出傳感器與地面目標(biāo)之間的距離，依次掃描被測(cè)區(qū)域，快速獲得地面景觀的二維坐標(biāo)和反射光強(qiáng)。

圖1 車載Lidar系統(tǒng)集成圖

系統(tǒng)運(yùn)行過程中可以同步完成各傳感器的數(shù)據(jù)獲取與存儲(chǔ)，包含GPS和IMU的定位定姿數(shù)據(jù)、里程計(jì)的行駛數(shù)據(jù)、激光掃描儀的激光脈沖數(shù)據(jù)和面陣相機(jī)的影像數(shù)據(jù)，如圖1。系統(tǒng)工作時(shí)，以GPS時(shí)間為主導(dǎo)保證時(shí)間的同步和協(xié)調(diào),激光掃描儀獲取掃描中心到被探測(cè)目標(biāo)物的距離和點(diǎn)之間的角度變化信息，來計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)在激光坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。而激光掃描中心與GPS/INS(Inertial navigation system)導(dǎo)航系統(tǒng)之間的空間位置關(guān)系己經(jīng)提前檢校好，且激光掃描儀與GPS/INS導(dǎo)航系統(tǒng)之間通過GPS時(shí)間戳進(jìn)行精確時(shí)間同步，最終可確定實(shí)測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的大地坐標(biāo)。

1 基站架設(shè)與靶標(biāo)布設(shè)

為了控制激光掃描數(shù)字地面模型的精度，以及便于檢查生成的數(shù)字地面模型的精度，需要在道路周邊進(jìn)行地面數(shù)據(jù)采集工作。地面數(shù)據(jù)采集包括：為配合航空數(shù)據(jù)采集布設(shè)基站以外，還在地面布設(shè)并測(cè)量了地標(biāo)點(diǎn)、路基外側(cè)一定數(shù)量的地形點(diǎn)和路面部分一定數(shù)量橫斷面上的點(diǎn)位。具體布設(shè)方案如下：

（1）地面靶標(biāo)點(diǎn)按平行于高速公路道路方向分四排布設(shè)，道路兩側(cè)路肩各布設(shè)一排，道路兩側(cè)距路邊約150米范圍內(nèi)各布設(shè)一排，地標(biāo)點(diǎn)間距約500米，兩側(cè)呈交叉布設(shè)，噴涂白色油漆作為靶標(biāo)。

（2）高速公路沿線的特征地物點(diǎn)的布設(shè)。如公路的急轉(zhuǎn)彎點(diǎn)，路旁建筑物的四角，路燈底部，交通標(biāo)識(shí)底部，立交邊緣等?？梢源_保所布設(shè)的靶標(biāo)控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)可以在點(diǎn)云中清晰而準(zhǔn)確地識(shí)別，從而提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度和提高作業(yè)效率。

（3）地面靶標(biāo)點(diǎn)和地面控制點(diǎn)測(cè)量采用靜態(tài)GPS測(cè)量，按四等GPS測(cè)量要求進(jìn)行觀測(cè)。高程采用四等水準(zhǔn)方法測(cè)量，組成閉合或附合水準(zhǔn)測(cè)量網(wǎng)。散點(diǎn)、邊坡點(diǎn)和路基外橫斷面點(diǎn)，這些點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程均使用GPS-RTK方法測(cè)量，測(cè)量散點(diǎn)坐標(biāo)還同時(shí)測(cè)量了地面散點(diǎn)所處位置的植被高度。

2 激光點(diǎn)云濾波處理

由于LiDAR數(shù)據(jù)是隨機(jī)的采集數(shù)據(jù)，在三維空間中呈現(xiàn)不規(guī)則、離散的狀態(tài)，也被稱為L(zhǎng)iDAR“點(diǎn)云”，這些點(diǎn)云中部分點(diǎn)是真實(shí)地面的點(diǎn)，部分點(diǎn)是地物點(diǎn)（屋頂、樹木、電線等），極少數(shù)是既不屬于地物點(diǎn)也不屬于地面點(diǎn)的點(diǎn)。在進(jìn)行LiDAR數(shù)據(jù)處理時(shí)，一個(gè)必要的前提就是給定一個(gè)規(guī)則來區(qū)分地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)。LiDAR點(diǎn)云的濾波就是要從原始的LiDAR數(shù)據(jù)中濾掉非地面點(diǎn)，保留有效的地形信息。

濾波是處理LiDAR數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。濾波算法的基本原理是基于局部地形的連續(xù)性變化這一個(gè)假設(shè)，算法設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于如何快速準(zhǔn)確的檢測(cè)出局部的高程突變。濾波的算法比較多(如:移動(dòng)窗口法、形態(tài)學(xué)濾波法、迭代線性最小二乘內(nèi)插法、高程紋理分析法、基于地形坡度濾波法等)。

迭代線性最小二乘內(nèi)插濾波法是常用的一種算法,其核心思想是：地物點(diǎn)的高程比對(duì)應(yīng)區(qū)域周圍地形點(diǎn)的高程高。內(nèi)插后激光腳點(diǎn)高程與擬合面的擬合殘差不服從正態(tài)分布。地物點(diǎn)的擬合殘差都為正值，且偏差較大，對(duì)應(yīng)地面點(diǎn)的擬合殘差較小且可能為負(fù)值。該方法需要迭代進(jìn)行，首先按所有點(diǎn)等權(quán)的方式計(jì)算激光腳點(diǎn)在窗口內(nèi)的高程均值或使用先驗(yàn)的估值，并將其作為初始擬合表面模型，該表面實(shí)際上是介于真實(shí)地面(DTM)和植被覆蓋面(DSM)之間的面。然后計(jì)算各激光腳點(diǎn)高程值和擬合面的殘差V，根據(jù)殘差對(duì)每個(gè)點(diǎn)計(jì)算權(quán)重P其權(quán)函數(shù)關(guān)系式(1-1)為:

式中：參數(shù)a和b決定了權(quán)函數(shù)的變化幅度，通常a、b取1和4；參數(shù)g選擇一個(gè)合適的負(fù)數(shù)，其值可根據(jù)殘差統(tǒng)計(jì)直方圖確定。

計(jì)算出每個(gè)觀測(cè)值的權(quán)P后，就可進(jìn)行下一步的迭代計(jì)算。依據(jù)是：殘差負(fù)的越多，其對(duì)應(yīng)激光腳點(diǎn)賦予更大的權(quán)；對(duì)于居中殘差的點(diǎn)賦予較小的權(quán)；對(duì)于殘差大于g+w的數(shù)據(jù)點(diǎn)就認(rèn)為是地物點(diǎn),賦予零權(quán)重，將其剔除掉。然后，對(duì)定權(quán)的各個(gè)腳點(diǎn)進(jìn)行判斷，權(quán)重大的點(diǎn)就認(rèn)為是地面點(diǎn)，權(quán)重小的點(diǎn)就是地物點(diǎn)，如此計(jì)算出新的擬合表面模型。最后，對(duì)新擬合表面模型重新計(jì)算被剔除點(diǎn)的殘差，如果殘差落在本次吸收域g+w內(nèi)，則在前一次擬合中判定為非地形點(diǎn)而被剔除的點(diǎn)，可重新被吸收為地形點(diǎn)，參加新的擬合計(jì)算。如此反復(fù)迭代，直到滿足最終條件為止，流程圖見圖2。

3 測(cè)量精度控制

此次試驗(yàn)選取的線路位于新疆某高速改礦建工程中段，選擇里程50km至80km的30km范圍路段進(jìn)行測(cè)試。采用WGS84坐標(biāo)系和高斯三度帶投影，中央子午線移與高速工程坐標(biāo)系保持一致。首先選擇并設(shè)立控制網(wǎng)，主要用來求取系統(tǒng)的初始參數(shù)?？刂凭W(wǎng)新疆某高速沿線布設(shè)，測(cè)量并選取60個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)值做精度比對(duì)真值。然后，利用車載激光測(cè)量系統(tǒng)對(duì)控制網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行了掃描，并對(duì)掃描結(jié)果進(jìn)行了精度檢測(cè)。點(diǎn)云精度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1，

同時(shí)，在新疆某高速擴(kuò)改建工程里程50km至80km處進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，并選取了167個(gè)檢查點(diǎn)，精度檢測(cè)結(jié)果如表2。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度檢測(cè)結(jié)果表明,在GPS信號(hào)良好和人工因素干擾較少的情況下，系統(tǒng)成果完全可以滿足1:2000比例尺成圖要求，也符合公路改擴(kuò)建工程的精度需求。

圖2 迭代線性最小二乘內(nèi)插濾波法流程圖

表1 控制 査點(diǎn)精度檢 統(tǒng)計(jì)表

表2 檢查點(diǎn)精度檢查統(tǒng)計(jì)表

4 應(yīng)用及展望

項(xiàng)目依托新疆某高速公路改擴(kuò)建工程，對(duì)車載移動(dòng)掃描測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用研究，通過對(duì)平面控制點(diǎn)、高程檢驗(yàn)點(diǎn)以及激光掃描測(cè)量點(diǎn)等數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及誤差分析，得出相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)論。根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的分析，本項(xiàng)目的研究成果達(dá)到了技術(shù)考核指標(biāo)要求，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度檢測(cè)結(jié)果表明，在GPS信號(hào)良好和人工因素干擾較少的情況下，系統(tǒng)成果可以滿足1:2000比例尺成圖要求，也符合公路改擴(kuò)建工程的精度需求。

車載激光測(cè)量系統(tǒng)正是由于其高效、高精度、信息量豐富和節(jié)約成本等特點(diǎn)所以發(fā)展前景良好。精度高的特點(diǎn)使其能應(yīng)用于各種高要求的測(cè)量領(lǐng)域，點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配影像數(shù)據(jù)的應(yīng)用方式增加了點(diǎn)云模型的直觀性和利用價(jià)值。在老路改擴(kuò)建工程中應(yīng)用，亦僅需測(cè)量人員進(jìn)行少量輔助外業(yè)測(cè)量工作，同樣一次測(cè)量可以滿足道路改擴(kuò)建線路設(shè)計(jì)初測(cè)和詳測(cè)需求，由于后期的數(shù)據(jù)處理成本低，能降低測(cè)量成本。如果推廣到其他行業(yè)如規(guī)劃、電信、公安、導(dǎo)航、軍事等，將會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]袁夏.三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用技術(shù).南京:南京理工大學(xué),2006.

[2]趙永國(guó),黃文元.地面三維激光掃描技術(shù)與公路工程的試驗(yàn)研究 [J],中外公路, 2009(08).

[3]公路勘察規(guī)范JTOC10-2007.

[4]謝向進(jìn).三維激光掃描用于公路勘測(cè)的可行性分析 [J].地球,2014:234-235.

U46[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-6-479-2

劉志成，男，碩士，研究方向?yàn)榻煌睖y(cè)與3S技術(shù)研究與應(yīng)用。