车载激光雷达在道路养护中的应用

龚其琛 ，李磊

（1.中南勘察设计院集团有限公司，武汉 430000；2.湖北省测绘工程院，武汉 430000）

1 车载激光雷达的现状

车载激光雷达目前在国内外都有了很多应用，发展前景非常广阔。但与航空雷达类似，其核心的 IMU（惯导系统）依然依靠进口，严重制约了在国内的应用与发展。国际 LIDAR 厂商在华代理主要包括 RIEGL、Opthch 等。车载激光雷达主要用于城市型数据采集，即道路、房屋建筑、海岸线、轨道等地物，通过集成 IMU 及 GPS，可以实时移动获取扫描数据，并通过经标定的高速摄像机获取对应影像用于后续贴纹理等处理。国内现有北京富斯德公司代理的 Riegl VMX-250 移动激光扫描系统、北京德可达公司代理的 StreetMapper 移动激光扫描系统、北京麦格天富代理的 Landmark 移动激光扫描系统等，这些移动激光扫描系统都是在汽车顶部安装 1～3 个经定标的激光扫描仪，并集 POS 系统（IMU+GPS）以及各类高速摄影机。

2010年，我国在北京召开了第一届全国激光雷达对地观测高级学术研讨会，指出了激光雷达的发展走向。国家“十二五”计划中已经将激光雷达数据采集及处理放在了一个重要发展的战略位置，未来国家将力主发展激光雷达及 3S 集成的具有自主知识产权的多平台、多尺度应用；而国际上，激光雷达的发展已经步入了一个新的阶段，即由地面、移动车载、航空 LIDAR 向航天 LIDAR 转变。据日本媒体报道，日本富士通研究所于 2012年10月29日发布消息称，已开发出了水平和垂直2个方向检测角度均可达到 140°的激光雷达, 适用于检测汽车后方的车辆等。

2 车载激光雷达在道路养护中的具体应用

2.1 车载三维激光扫描系统概述

在当前城市道路交通网络快速化发展过程中，虽然我国已经形成了四通八达的快速公路运输通道，但是由于常年受车辆碾压的影响，变形和凹陷程度较为严重，在影响城市道路安全性的同时，对国家整体发展也造成了极为不利的影响。

简单来讲，所谓的“车载激光雷达技术”,其本质上是一种测量技术，即工作人员通过将激光测距与 GPS（全球定位系统）、IMU 和摄影测量系统等融合在一辆数据采集车上，而后通过差分 GPS 确定测量车精确位置、激光测距测量与周围环境的距离和角度、近景摄影测量反应地物类别，以此在确定被测点三维坐标的同时，为后期养护工作的顺利展开奠定良好基础。

2.2 车载三维激光扫描技术的实践

2.2.1 数据采集

在道路养护过程中，为确保养护工作的规范化实施，相关部门的工作人员需确保数据采集工作落实到位，而通常来讲,进行数据采集工作前，工作人员还要做好控制测量，即通过将测量设备安装到指定位置进行数据的采集，为后期养护作业的落实奠定基础。在将车载激光雷达应用于道路养护时，控制网的布设需谨遵“先整体，后局部；先高级、后低级；分级布设，逐级控制”的原则，具体而言，即工作人员需要联合经检验后的国家高级控制点作为控制网首级控制点进行全球静态定位测量，测量时，为了确保测量数据的精准度，工作人员可对控制点进行加密处理[1]。

2.2.2 数据处理

经大量调研数据分析可知，经车载三维激光扫描系统采集的数据通常是物理参数信息的离散点以及带有噪点的云数据，为此，进行数据预处理和坐标转换得到可以反映目标真实坐标和信息的点云数据十分必要，具体而言，其处理如下：

1）数据配准。进行数据配准时，主要分为2步：粗配准和精确配准，从处理效果来看，其首先应进行的是粗配准，之后进行精确配准。进行粗配准时，其具体处理流程是：工作人员将噪点云数据进行平移和旋转，确定2个位置较远的点云的相对位置关系，从而得到一个大范围内的平移旋转矩阵。精确配准是在平移旋转矩阵中进行的。在精确配准过程中，工作人员需严格按照 ICP 算法公式，将已经初步配准的初始值进行更加精确的计算。

2）噪声和粗差剔除。根据大量调研数据分析可知，在车载三维激光扫描系统的扫描过程中，也会得到一些不需要的数据，这些数据的存在会对道路的建模造成一定的影响。故此，为从根本上规避上述问题的产生，在对数据进行处理时，工作人员需要将这些不必要的数据进行剔除处理。

3）坐标转换。在车载激光雷达技术应用过程中，经车载三维激光扫描系统的云数据坐标系统为站心坐标系统，以扫描中心为原点，而在道路建模过程中，工作人员在进行数据处理时，还要将站心坐标系转化为地面坐标系。

2.3 提起车道断面参数

2.3.1 提取车道线参数

作为道路断面参数基准，在断面参数提取过程中，工作人员需首先提取车道线。为了确保提取数据的精准度、科学性和合理性，工作人员需根据车道油漆边缘线对激光的反射和路边对激光反射强度不同提取车道边线，并将其作为道路断面参数计算基准进行计算。

2.3.2 计算道路倾斜参数

在断面参数的计算过程中，为确保计算的科学性、合理性和规范性，工作人员需使用 terrasolid 激光雷达处理软件分类出地面点，而后根据点云拟合数路面断面线，对道路倾斜各项参数（角度和路线方向倾斜角度）进行计算。

2.3.3 拟合剖面曲线

根据最小二乘原理，将路面点云拟合成曲线，并寻找最低点，最低点距离最低点左右两侧较低点的垂直距离即为最大汇水深度。

3 结语

简而言之，在当前城乡一体化建设进程不断加快的产业时代背景下，高速公路工程在促进国民经济进一步发展的同时，也满足了人们日常生产生活的需求，但与发达国家相比，虽然近年来我国在建设规模和建设数量方面取得了突破性进展，但无论是养护效率还是管理质量，始终与它们存在一定的差距，车载激光雷达由于具有快速测定、适合野外作业、低成本、仪器轻便等特点，并且随着汽车的发展，在测绘新技术的不断创新推动下，车载激光雷达作为一种先进的数据获取手段，凭借实用性强、精确度高、数字化程度高、数据采样率高等优势，必将拥有广阔的市场前景，因此，对其应用情况及发展趋势的研讨工作，可以为车载激光雷达系统的改进与完善打下坚实的基础。