激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用剖析

潘群科

中物聯(lián)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司柳州分公司，中國(guó)·廣西 柳州 545000

在當(dāng)前國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中，高速公路作為市政工程的重要組成部分，其施工規(guī)模和數(shù)量在不斷擴(kuò)增的同時(shí)，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)貿(mào)易往來(lái)奠定了良好基礎(chǔ)，但伴隨公路承載的交通壓力不斷增加，尤其是受車(chē)輛常年碾壓的影響，公路變形和凹陷現(xiàn)象是極為普遍的，故而對(duì)公路進(jìn)行管理養(yǎng)護(hù)是十分必要的。鑒于此，論文主要基于現(xiàn)階段中國(guó)激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)其在道路養(yǎng)護(hù)中的具體應(yīng)用進(jìn)行了深入剖析，以此確保道路出行的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。

高速公路；激光雷達(dá)測(cè)量；道路養(yǎng)護(hù)；應(yīng)用策略

1 激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基本概述

激光雷達(dá)測(cè)量目前在國(guó)際上和中國(guó)都有了很多應(yīng)用，發(fā)展前景很被看好。但與航空雷達(dá)類(lèi)似，其核心的IMU 依然依靠進(jìn)口，嚴(yán)重制約了中國(guó)應(yīng)用的發(fā)展。國(guó)際一流LIDAR 廠商在華代理主要包括：RIEGL、Opthch 等。激光雷達(dá)測(cè)量主要用于城市型數(shù)據(jù)采集，即道路、房屋建筑、海岸線、軌道等地物，通過(guò)集成IMU 及GPS，可以實(shí)時(shí)移動(dòng)獲取掃描數(shù)據(jù)，并通過(guò)經(jīng)標(biāo)定的高速攝像機(jī)獲取對(duì)應(yīng)影像用于后續(xù)貼紋理等處理。中國(guó)現(xiàn)有北京富斯德公司代理的Riegl VMX-250 移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)、北京德可達(dá)公司代理的StreetMapper 移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)、北京麥格天富代理的Landmark 移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)等。這些移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)都是在汽車(chē)頂部安裝1～3 個(gè)經(jīng)定標(biāo)的激光掃描儀，并集POS 系統(tǒng)（IMU+GPS）以及各類(lèi)高速攝影機(jī)[1]。

2010年，中國(guó)在北京召開(kāi)了“第一屆全國(guó)激光雷達(dá)對(duì)地觀測(cè)高級(jí)學(xué)術(shù)研討會(huì)”，指出了激光雷達(dá)的發(fā)展走向。國(guó)家十二五計(jì)劃中已經(jīng)將激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集及處理放在了一個(gè)重要發(fā)展的戰(zhàn)略位置，未來(lái)國(guó)家將力主發(fā)展激光雷達(dá)及3S 集成的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多平臺(tái)、多尺度應(yīng)用。而國(guó)際上，激光雷達(dá)的發(fā)展已經(jīng)步入了一個(gè)新的階段，即由地面、移動(dòng)、航空LIDAR 向航天LIDAR 轉(zhuǎn)變。據(jù)日本媒體報(bào)道，日本富士通研究所于2012年10月29日發(fā)布消息稱(chēng)，已開(kāi)發(fā)出了水平和垂直兩個(gè)方向的檢測(cè)角度均可達(dá)到140 度的激光雷達(dá)。適用于檢測(cè)汽車(chē)后方的車(chē)輛等。

傳統(tǒng)的鐵路復(fù)測(cè)方法作業(yè)效率低、精度差、安全性不高。采用激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行鐵路復(fù)測(cè)是一種新技術(shù)，測(cè)量時(shí)將激光雷達(dá)系統(tǒng)安裝于鐵路通勤車(chē)或軌檢車(chē)的車(chē)廂尾端，具有安全性好、作業(yè)效率高、能準(zhǔn)確直觀反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況的優(yōu)點(diǎn)。

2 激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)在道路養(yǎng)護(hù)中的具體應(yīng)用

2.1 三維激光掃描系統(tǒng)概述

在當(dāng)前城市道路交通網(wǎng)絡(luò)快速化發(fā)展過(guò)程中，現(xiàn)階段雖然中國(guó)已經(jīng)形成了四通八達(dá)的快速公路運(yùn)輸通道，但是由于常年受車(chē)輛碾壓的影響，變形和凹陷程度較為嚴(yán)重，在影響城市道路安全性的同時(shí)，對(duì)國(guó)家整體發(fā)展也造成了極為不利的影響。就目前來(lái)看，為從根本上改善當(dāng)前城市道路現(xiàn)狀，在道路養(yǎng)護(hù)中采取激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)是極為必要的。

簡(jiǎn)單來(lái)講，所謂的“激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)”其實(shí)本質(zhì)上而言就是一種測(cè)量技術(shù)，即工作人員通過(guò)將激光測(cè)距與GPS(全球定位系統(tǒng))、IMU（慣導(dǎo)系統(tǒng)）和攝影測(cè)量系統(tǒng)等融合在一輛數(shù)據(jù)采集車(chē)上，而后通過(guò)差分GPS 確定測(cè)量車(chē)精確位置、激光測(cè)距測(cè)量與周?chē)h(huán)境的距離和角度、近景攝影測(cè)量反應(yīng)地物類(lèi)別，以此在確定被測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)的同時(shí)，為后期養(yǎng)護(hù)工作的順利展開(kāi)奠定良好基礎(chǔ)[2]。

2.2 三維激光掃描技術(shù)的實(shí)踐

2.2.1 數(shù)據(jù)采集

在進(jìn)行道路養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，為確保養(yǎng)護(hù)工作的規(guī)范化實(shí)施，相關(guān)部門(mén)的工作人員需確保數(shù)據(jù)采集工作落實(shí)到位，而通常來(lái)講在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作前，工作人員還要做好控制測(cè)量，即通過(guò)將測(cè)量設(shè)備安裝到指定位置進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，為后期養(yǎng)護(hù)作業(yè)的落實(shí)奠定良好基礎(chǔ)。在將激光雷達(dá)測(cè)量實(shí)踐于道路養(yǎng)護(hù)時(shí)，控制網(wǎng)布的布設(shè)需謹(jǐn)遵“先整體，后局部；先高級(jí)、后低級(jí)；分級(jí)布設(shè)，逐級(jí)控制”的原則，具體而言就是工作人員聯(lián)合經(jīng)檢驗(yàn)后的國(guó)家高級(jí)控制點(diǎn)作為控制網(wǎng)首級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行全球靜態(tài)定位測(cè)量，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)為了確保測(cè)量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度工作人員可對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行加密處理，由此在確保采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的同時(shí)，為后期作業(yè)的有序進(jìn)行打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

當(dāng)三維激光掃描系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集工作后，工作人員需及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而為后期養(yǎng)護(hù)工作的順利開(kāi)展奠定良好基礎(chǔ)。經(jīng)大量調(diào)研數(shù)據(jù)分析可知，經(jīng)三維激光掃描系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)通常是物理參數(shù)信息的離散點(diǎn)以及帶有噪點(diǎn)的云數(shù)據(jù)，為此進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到可以反映目標(biāo)真實(shí)坐標(biāo)和信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是十分必要的，具體而言其具體處理如下。

（1）數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

在進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)時(shí)，通常而言數(shù)據(jù)配準(zhǔn)主要分為兩步，即——粗配準(zhǔn)、精確配準(zhǔn)，從處理效果來(lái)看其首先應(yīng)該進(jìn)行的是粗配準(zhǔn)，之后在進(jìn)行精確配準(zhǔn)。在進(jìn)行粗配準(zhǔn)時(shí)，其具體處理流程是工作人員工作將噪點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)，首先確定下來(lái)兩個(gè)位置較遠(yuǎn)的點(diǎn)云相對(duì)位置關(guān)系，從而得到一個(gè)大范圍內(nèi)的平移旋轉(zhuǎn)矩陣，至于后面的精確配準(zhǔn)其實(shí)就是在平移旋轉(zhuǎn)矩陣中進(jìn)行的。在進(jìn)行精確配準(zhǔn)過(guò)程中，工作人員需嚴(yán)格按照ICP 算法公式——或該算法的各種變種，將已經(jīng)初步配準(zhǔn)的初始值進(jìn)行更加精確計(jì)算[3]。

（2）噪聲和粗差剔除

根據(jù)大量調(diào)研數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)三維激光掃描系統(tǒng)在掃描過(guò)程中，通常而言也會(huì)得到一些不需要的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的存在會(huì)對(duì)道路的建模造成一定影響，故此為從根本上規(guī)避上述問(wèn)題的產(chǎn)生，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，工作人員也需要將這些不必要數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除處理。

（3）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，經(jīng)三維激光掃描系統(tǒng)的云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)為站心坐標(biāo)系統(tǒng)，以掃描中心為原點(diǎn)，而在道路建模過(guò)程中，需要用到的數(shù)據(jù)其實(shí)主要是地面坐標(biāo)系，因此工作人員在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，還要將站心坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為地面坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)化方程如下——，其中xT，yT，zT 為平移參數(shù)，α、β、γ 是旋轉(zhuǎn)參數(shù)，R 為比例尺參數(shù)。

2.2.3 提取車(chē)道斷面參數(shù)

（1）提取車(chē)道線參數(shù)

作為道路斷面參數(shù)基準(zhǔn)，在進(jìn)行斷面參數(shù)提取過(guò)程中，工作人員需首先提取車(chē)道線。在進(jìn)行車(chē)道線提取過(guò)程中，為了確保提取數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，科學(xué)性和合理性，工作人員需根據(jù)車(chē)道油漆邊緣線對(duì)激光的反射和路邊對(duì)激光反射強(qiáng)度不同提取車(chē)道邊線，并將其作為道路斷面參數(shù)計(jì)算基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。

（2）計(jì)算道路傾斜參數(shù)

在進(jìn)行斷面參數(shù)計(jì)算過(guò)程中，為確保計(jì)算的科學(xué)性、合理性和規(guī)范性，工作人員需使用terrasolid 激光雷達(dá)處理軟件分類(lèi)出地面點(diǎn)，而后根據(jù)點(diǎn)云擬合數(shù)路面斷面線，對(duì)道路傾斜各項(xiàng)參數(shù)（角度和路線方向傾斜角度）進(jìn)行計(jì)算[4]。

（3）擬合剖面曲線

根據(jù)最小二程原理，將路面點(diǎn)云擬合成曲線，并尋找最低點(diǎn)，最低點(diǎn)距離最低點(diǎn)左右兩側(cè)較低點(diǎn)的垂直距離即為最大匯水深度。

3 結(jié)語(yǔ)

簡(jiǎn)而言之，激光雷達(dá)測(cè)量由于具有快速測(cè)定、適合野外作業(yè)、低成本、儀器輕便等特點(diǎn)。隨著汽車(chē)的發(fā)展，在測(cè)繪新技術(shù)的不斷創(chuàng)新推動(dòng)下，激光雷達(dá)測(cè)量作為一種先進(jìn)的數(shù)據(jù)獲取手段，憑借實(shí)用性強(qiáng)、精確度高、數(shù)字化程度高、數(shù)據(jù)采樣率高等優(yōu)勢(shì)，必將擁有廣闊的市場(chǎng)前景。因此，對(duì)其應(yīng)用情況及發(fā)展趨勢(shì)的研討工作，可以為激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的改進(jìn)與完善打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。