城市道路測繪中車載激光雷達掃描技術應用研究

秦嘉泰 許 攀 李儒風 黃彥剛 段軍魁

（1.河北科技大學建筑工程學院，石家莊 050018；2.廣州南方測繪科技股份有限公司石家莊分公司，石家莊 050018；3.天津仁恒和美房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，天津市 300090）

0 引言

道路是城市環(huán)境中最具活力的區(qū)域，也是城市的血管，對城市道路定期的監(jiān)測有利于提高路網(wǎng)作用，為居民出入提供更好的安全通行環(huán)境。將復雜的城市路網(wǎng)進行科學、全面、低成本地管理，逐漸成為了許多學者研究城市精細化管理的重要課題[1-4]。

車載激光雷達是一種主動遙感設備，其優(yōu)勢在于突破了傳統(tǒng)的單點測量法，具備穿透地表覆蓋的森林植被的能力，更好地獲取地形信息[5-8]。將激光雷達搭載在機動車上，通過對道路及其兩側(cè)的掃描來記錄目標的位置和反射強度等信息，可以快速、高密度、低成本、高精度、高自動化地完成道路及其沿線設施的三維信息采集，大大減少了外業(yè)采集的工作量，工作便捷，信息采集高效，精細化程度高[9-10]。本文針對城市道路的特征，以實際工程項目作為背景，利用車載激光雷達技術對城市道路進行測繪，對測繪處理過程和測繪精度進行了詳細地描述、統(tǒng)計和分析，對未來城市道路測繪工作具有較好的借鑒意義。

1 工程概況

本文以佛山市順德區(qū)一條路線全長約8.14km的城市道路工程為例，該道路總體呈東西走向，西側(cè)起點位于與碧桂路相交的路口（樁號K0+450），向東沿線與多條既有道路相交、終點與黃攬干線相接（樁號K8+100）。其中，樁號（K2+150～K2+380）和樁號（K3+140～K4+620）為既有橋梁段，橋梁段不在本次路面提升改造范圍內(nèi)。德勝東路道路規(guī)劃紅線寬度為60m（順番公路段90m），設計速度為60km/h，雙向6 車道，道路等級為城市主干道。

本文測區(qū)整體高差不大，主干道上樹木遮擋較少，但是大型貨車較多，不僅行駛較頻繁，主干道應急車道上也有部分地段有大型貨車?？?，對測量有一定影響。輔道上樹木茂密，基本遮擋住輔道，并且輔道內(nèi)有小型車輛停放。因此作業(yè)范圍為測區(qū)內(nèi)的主道部分，不包括測區(qū)內(nèi)的輔道、跨河橋梁及高架橋部分。

2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

2.1 前期準備

在外業(yè)數(shù)據(jù)采集前，利用準備好的地圖數(shù)據(jù)，進行實地踏勘，確認采集范圍內(nèi)的道路交通狀況，采集線路之間的關聯(lián)性，并在地圖上做好標記，以便在外業(yè)線路規(guī)劃中可以進行合理安排。提前規(guī)劃基站位置、行駛線路，盡量保證沿衛(wèi)星信號良好的路段行駛。在踏勘過程中同時尋找適合架設基站的位置及控制點。此外，在測區(qū)范圍內(nèi)至少提供4～5 個點的兩套坐標信息（WGS84+橢球高/當?shù)刈鴺讼担?，這兩套坐標信息用于計算參數(shù)，把WGS84 坐標點云轉(zhuǎn)到當?shù)刈鴺讼迪拢@也防止了坐標采集出錯的情況。

2.2 外業(yè)采集

利用車載激光雷達掃描技術進行外業(yè)采集，用于獲取橫縱斷面圖、1:500 地形圖、道路特征線、逐樁坐標偏離表及路基設計偏離表等信息。外業(yè)采集過程主要分為6點。

2.2.1 標靶點的布設與采集

本文采集環(huán)境為城市道路，考慮到安全因素，無法在車行道中間的虛線角點進行測量，而道路邊緣線無標線角點，所以需要布設標靶。標靶平面坐標采用GPS-RTK 進行測量，高程采用四等水準的觀測方法進行測量，道路兩側(cè)每隔200 左右布設一個點。十字路口左右通視的標靶點可布設在路中間，保證道路兩側(cè)都可以測量。在路兩側(cè)樹木較密、橋隧底下等會造成衛(wèi)星信號失鎖的地方適當加密標靶點。

2.2.2 基站架設

根據(jù)基站布設的規(guī)劃，每個基站需架設在已知坐標的點上，同時，根據(jù)測區(qū)總長決定架設基站的個數(shù)，一個基站控制范圍為25km?；静捎渺o態(tài)采集模式，為獲取更高的采集精度，基站架設在控制點上（WGS84經(jīng)緯度及高程信息），采樣間隔設為0.5s。

2.2.3 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要是由征圖移動測量系統(tǒng)操控軟件ZTControler 進行，主要是在移動的載體上安裝多種傳感器，在載體移動時，傳感器自動采集載體的運動位置以及周圍環(huán)境和物體的形狀、色彩及影像等各種三維連續(xù)地理空間。

2.2.4 數(shù)據(jù)解算

對點云軌跡進行解算，主要分為以下幾個步驟：（1）通過軌跡解算軟件Inertial Explorer 解算出軌跡數(shù)據(jù)（*pos）；（2）通過征圖數(shù)據(jù)融合軟件ZTPreProcess融合軌跡數(shù)據(jù)和原始激光數(shù)據(jù)（*.rxp），得到具有位置信息的點云數(shù)據(jù)（*.las）；（3）通過征圖數(shù)據(jù)融合軟件ZTPreProcess進行坐標轉(zhuǎn)換，得到當?shù)刈鴺讼迪曼c云數(shù)據(jù)。

2.2.5 軌跡糾偏

對于軌跡糾偏處理，該項目道路側(cè)設標靶點44個，作為點云數(shù)據(jù)的軌跡糾偏點，其他由甲方提供的檢查點用作精度檢查，主要處理步驟分為：（1）通過征圖軟件對軌跡進行糾偏處理，選取標靶點圓心的點云坐標和實測坐標作為一組同名點，多組同名點構成最終軌跡糾正文件，利用控制點對軌跡進行糾正優(yōu)化，實現(xiàn)糾偏的目的。（2）重新融合糾正后的軌跡數(shù)據(jù)（*.pos）和原始激光數(shù)據(jù)（*.rxp），得到高精度點云數(shù)據(jù)。標靶點和實測點高度重合，軌跡糾偏處理精度較高。

2.2.6 數(shù)據(jù)檢查

數(shù)據(jù)檢查主要包含了6部分內(nèi)容，具體如下：（1）覆蓋完整度檢查，對工程項目進行分塊，逐個檢查，保證數(shù)據(jù)完整（紅色為范圍線，方框為數(shù)據(jù)框），如圖1(a)所示；（2）點云重疊度檢查，沿道路每隔100m，做一個橫向切面，檢查點云的平面和高程的重疊度，如圖1(b)所示；（3）點云突變檢查，檢查軌跡數(shù)據(jù)，對于高程異常的地方，將對應的點云做出縱切面，確認是否為突變點，如圖1（c）所示；（4）點云高程檢查，在有標靶點的地方橫切剖面，根據(jù)標靶點高程信息對點云進行高程檢查，如圖1（d）所示；（5）點云精度檢查，利用已有的檢查點，進行初步精度檢查，符合要求后即可轉(zhuǎn)交內(nèi)業(yè)進行內(nèi)業(yè)工作，由統(tǒng)計結果看出，標靶點在平面中和高程中的誤差較小，精度較高。

圖1 數(shù)據(jù)檢查示意圖

根據(jù)以上的點云數(shù)據(jù)檢查結果，說明點云數(shù)據(jù)的精度較高，針對少量平面、高程精度較差的點云需加入所有標靶點后進行再次校正，這些校正后的點云數(shù)據(jù)可用于路面特征線提取、點云分類過濾及抽稀工作。

3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

在完成外業(yè)采集工作后，需要開展內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作，主要包括點云分類、特征線繪制以及地形圖繪制。

3.1 點云分類

對于最終糾偏后的點云數(shù)據(jù)，由于其存在大量的無用數(shù)據(jù)（道路兩旁外點云數(shù)據(jù)、植被點云數(shù)據(jù)、輔道點云數(shù)據(jù)、頂部架橋點云數(shù)據(jù)等）。本文使用Terrasolid軟件對其進行相應的過濾，最終得到道路路面點云數(shù)據(jù)。目的在于減少點云數(shù)據(jù)量，排除干擾點云數(shù)據(jù)，便于后期的道路橫斷面作業(yè)處理工作。對點云自動分類結果需要進行交互檢查，主要準確判斷出地面點和非地面點兩類。

3.2 特征線繪制

基于最終糾偏后的點云數(shù)據(jù)，在SouthLidar中，精確提取道路特征矢量線數(shù)據(jù)信息，用于后續(xù)設計選取道路中線。

3.3 地形圖繪制

通過分層剪裁和三維窗口的輔助，繪制出路燈、凹槽、路牌等地面物體，使地物繪制更加地直觀準確。通過對不同路段三維圖的繪制，最后能夠繪制出來精準地形圖和斷面圖。

4 結束語

本文以佛山市城市道路工程為例，通過車載激光雷達掃描技術對道路進行了外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，可以得出以下結論：

（1）通過征圖軟件對軌跡進行糾偏處理，可以使標靶點和實測點高度重合，數(shù)據(jù)精度能夠較好地滿足道路測繪需求。

（2）在外業(yè)數(shù)據(jù)采集中引入全景影像技術，這可以為規(guī)劃部門在規(guī)劃的過程中進行更好地復核。

（3）在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中通過過濾后獲取道路路面點云數(shù)據(jù)，排除了干擾點云數(shù)據(jù)，有利于提高地形圖繪制效率。

（4）車載激光雷達技術在外業(yè)和內(nèi)業(yè)工作中具有智能、快速、便捷的優(yōu)勢，有利于提高道路監(jiān)測的效率及自動化的水平，具有較高的應用價值。