車載激光雷達在道路養(yǎng)護中的應(yīng)用

劉文文 江小利 顧鵬飛

摘 要：我國的交通網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多年快速發(fā)展，已經(jīng)形成了四通八達的快速公路運輸通道。然而道路常年被車輛的碾壓和磨損，車道必然會產(chǎn)生變形和凹陷。本文通過車載激光雷達掃描技術(shù)，對道路縱橫斷面參數(shù)進行計算分析，供道路養(yǎng)護部門進行參考，以保障道路出行安全。

關(guān)鍵詞：三維激光雷達；道路養(yǎng)護；道路剖面

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.093

1 車載三維激光掃描系統(tǒng)

車載三維激光掃描系統(tǒng)主要是將激光測距與GPS（全球定位系統(tǒng)）、IMU（慣導(dǎo)系統(tǒng)）和攝影測量系統(tǒng)等融合在一輛數(shù)據(jù)采集車上形成的現(xiàn)代化測量技術(shù)。它通過差分GPS確定測量車的精確位置，通過激光測距測量與周圍環(huán)境的距離和角度，通過近景攝影測量反應(yīng)地物類別。該系統(tǒng)通過測量發(fā)射激光的水平角、垂直角和發(fā)射激光脈沖測量距離，來確定被測點的三維坐標。

2 數(shù)據(jù)采集

在進行數(shù)據(jù)采集前首先開展控制測量?？刂凭W(wǎng)布設(shè)過程中應(yīng)遵循“先整體，后局部；先高級、后低級；分級布設(shè)，逐級控制”的原則。首級控制網(wǎng)采用全球靜態(tài)定位測量，聯(lián)測經(jīng)檢驗后的國家高級控制點作為控制網(wǎng)首級控制點。在對首級控制點進行加密時可采用快速靜態(tài)定位測量或者靜態(tài)全球定位系統(tǒng)測量的方法。做好控制后便可以安裝設(shè)備進行車載雷達掃描采集路面及周圍環(huán)境數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)處理

通過車載三維激光掃描系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)為帶有空間位置信息和一些反射強度、回波次數(shù)等物理參數(shù)信息的離散點。獲得的點云數(shù)據(jù)不僅有噪點而且所獲得點云坐標系并非地面坐標系統(tǒng)下的坐標數(shù)據(jù)，所以需要進行數(shù)據(jù)的預(yù)處理和坐標轉(zhuǎn)換以得到可以反映目標真實坐標和信息的點云數(shù)據(jù)。故而需要對動態(tài)掃描獲取的點云數(shù)據(jù)進行如下處理。

3.1 數(shù)據(jù)配準

配準主要分為兩步，首先要進行粗配準，然后進行精確配準。粗配準主要是將點云進行平移和旋轉(zhuǎn)，把兩個距離較遠的點云的相對位置關(guān)系確定下來。得到一個大致準確的平移旋轉(zhuǎn)矩陣。精確配準是使用ICP算法公式（1）或者該算法的各種變種，將已經(jīng)初步配準的初始值進行更加精確的計算得到精確的平移旋轉(zhuǎn)矩陣。

ICP配準的算法：

（1）

3.2 噪聲和粗差剔除

車載三維激光掃描系統(tǒng)在掃描過程中難免會掃描到不需要的物體，比如車輛、行人和植物等非公路屬性的點云數(shù)據(jù)，還有掃描過程中的粗差數(shù)據(jù)。這些可能會干擾對道路的建模，所以要將這些噪聲和粗差剔除。

3.3 坐標轉(zhuǎn)換

原始點云數(shù)據(jù)的坐標系統(tǒng)為站心坐標系統(tǒng)，以掃描中心為原點。然而實際應(yīng)用中需要的多為地面坐標系。所以要將站心坐標系轉(zhuǎn)化為地面坐標系。坐標轉(zhuǎn)換需要七個參數(shù)，平移參數(shù)，旋轉(zhuǎn)參數(shù)α、β、γ和比例尺參數(shù)R。 轉(zhuǎn)換方程為：

（2）

應(yīng)用公式（2），按間接平差的原理通過至少三個公共點列出誤差方程，根據(jù)最小二乘原理，求解出七個轉(zhuǎn)換參數(shù)。實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)由站心坐標系到地面坐標系的轉(zhuǎn)換。

4 車道斷面參數(shù)提取

4.1 車道線提取

車道線是道路斷面參數(shù)的基準，首先應(yīng)該提取道路車道線。激光點云數(shù)據(jù)除坐標信息外，還有回波次數(shù)、反射強度等信息。反射強度信息在一定程度上反映不同對象之間的差異，如材質(zhì)和紋理等特性。其原理為激光射到被測物體表面時會發(fā)生散射或被吸收導(dǎo)致反射回發(fā)射器的激光減少，引起射強度的差異。本文根據(jù)車道油漆邊緣線對激光的反射和路邊對激光反射強度不同提取車道邊線，作為道路橫斷面參數(shù)計算的基準，以車道線法線作為道路剖面的起始點。

4.2 計算道路傾斜參數(shù)

使用terrasolid激光雷達處理軟件分類出地面點。根據(jù)點云擬合數(shù)路面斷面線，進而計算道路傾斜各項參數(shù)（如圖1）所示。計算車道傾斜角度和路線方向傾斜角度。沿路線截面提取路面信息根據(jù)道路中線與地面點計算道路中線至左右兩側(cè)道路邊線傾斜角度和前進方向傾斜角度。沿路線截面拉剖面，發(fā)現(xiàn)道路向北傾斜，南側(cè)車道較為平坦，坡度僅為0.4度。北側(cè)坡度較大，坡度達到3.2度 。

4.3 擬合剖面曲線

以航跡線為基準計算法向量顯示坡度得到車道位置，根據(jù)最小二程原理，將路面點云擬合成曲線，并尋找最低點，最低點距離最低點左右兩側(cè)較低點的垂直距離即為最大匯水深度。這些參數(shù)對車輛在行駛過程中的安全保證有著重要意義。

5 結(jié)語

公路建成通車后，因承受車輪的磨損和沖擊，受到暴雨、洪水、風(fēng)沙、冰雪、日曬、冰融等自然力的侵蝕和風(fēng)化，以及人為的破壞和修建時遺留的某些缺陷，公路使用質(zhì)量會逐漸降低。車道經(jīng)常受到摩擦和碾壓部分產(chǎn)生的車轍將低于周邊路面，車轍在遇到雨雪天氣會產(chǎn)生積水現(xiàn)象。高速行駛的車輛在這種環(huán)境下可能產(chǎn)生危險。因此，公路建成通車后必須采取養(yǎng)護維修措施，并不斷進行更新改善。采用車載激光雷達對道路地面進行掃描，并對數(shù)據(jù)進行配準、去噪和坐標轉(zhuǎn)換。經(jīng)過分類后可以獲取道路的高精度地面模型，計算道路道路斷面參數(shù)和匯水深度。道路養(yǎng)護部門根據(jù)點云和斷面參數(shù)數(shù)據(jù)，對路面進行維護和搶修，保持公路暢通。

參考文獻：

[1]王濤.機載激光雷達技術(shù)在山區(qū)公路勘察設(shè)計中的應(yīng)用[J].西部交通科技，2018（04）.

[2]湯偉，蔡能.雷達技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用及開發(fā)前景[J].廣西交通科技，1998（04）.

作者簡介：劉文文（1990-），男，河南信陽人，碩士，研究方向：航空攝影測量與遙感。