【摘要】車(chē)載LiDAR技術(shù)是當(dāng)前市政道路測(cè)量中新興的一種測(cè)量技術(shù)，對(duì)于市政道路測(cè)量工作效率的提高有著重要意義，但在實(shí)際使用當(dāng)中，其測(cè)量的三維精度上存在一定不足。本文就對(duì)車(chē)載LiDAR技術(shù)的測(cè)量原理和流程以及影響測(cè)量三維精度的因素進(jìn)行了分析，并提出了控制測(cè)量三維精度的措施，為市政道路測(cè)量中車(chē)載LiDAR技術(shù)的應(yīng)用提供參考。

【關(guān)鍵詞】車(chē)載LiDAR技術(shù)；市政道路測(cè)量；三維精度；控制措施

LiDAR技術(shù)即激光探測(cè)測(cè)距系統(tǒng)，也被稱(chēng)為激光雷達(dá)，其概念興起于上世紀(jì)60年代中期，車(chē)載LiDAR技術(shù)就是以車(chē)輛為承載平臺(tái)，集合數(shù)碼相機(jī)、GPS接收機(jī)和IMU等多種硬件設(shè)備，在數(shù)據(jù)采集速度和精度上都有所提高，對(duì)于市政道路測(cè)量有著重要作用，但是受測(cè)量精度問(wèn)題影響，在實(shí)際應(yīng)用中依然無(wú)法推廣。

一、車(chē)載LiDAR技術(shù)測(cè)量原理和測(cè)量流程

（一）車(chē)載LiDAR技術(shù)測(cè)量原理

車(chē)載LiDAR技術(shù)的系統(tǒng)構(gòu)成主要包括CCD數(shù)碼相機(jī)、激光掃描儀、高精度IMU、GPS接收機(jī)、控制系統(tǒng)、升降平臺(tái)等，其對(duì)數(shù)據(jù)的獲取是利用三維激光移動(dòng)掃描實(shí)現(xiàn)的，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦P記本中進(jìn)行處理。

在車(chē)載LiDAR系統(tǒng)中，各個(gè)構(gòu)成模塊之間通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)連接在儀器，在測(cè)量過(guò)程中為保證測(cè)量時(shí)間的同步性，通常以GPS時(shí)間為測(cè)量的時(shí)間順序，被測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)主要是利用組合導(dǎo)航和各個(gè)構(gòu)成模塊間的相互關(guān)系來(lái)分析得到。

在實(shí)際測(cè)量工作當(dāng)中，車(chē)載LiDAR系統(tǒng)的姿態(tài)與位置數(shù)據(jù)，是借助激光掃描獲取的，其掃描光束圍繞旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針，掃描的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，即為瞬時(shí)掃描坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，然后通過(guò)與激光掃描設(shè)備相連接的接收機(jī)、車(chē)載平臺(tái)的單機(jī)檢校和系統(tǒng)檢校，得到激光掃描坐標(biāo)系與IMU、GPS三者的姿態(tài)和位置數(shù)據(jù)[1]。

（二）車(chē)載LiDAR技術(shù)測(cè)量流程

首先，結(jié)合被測(cè)區(qū)域的實(shí)際情況和車(chē)載LiDAR技術(shù)的基本要求，選取合適的控制點(diǎn)，并對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，確認(rèn)其周邊是否有阻礙物；然后通過(guò)車(chē)載LiDAR系統(tǒng)對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；再次，將處理后得到的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)展繪到點(diǎn)云中，即得到被測(cè)點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)。

二、市政道路測(cè)量中影響車(chē)載LiDAR技術(shù)三維精度的相關(guān)因素

在市政道路的測(cè)量中，車(chē)載LiDAR技術(shù)測(cè)量的數(shù)據(jù)三維精度主要會(huì)受以下幾方面的影響：一是IMU、GPS測(cè)量精度及組合導(dǎo)航精度，其中，前兩者主要取決于傳感器的精度值情況；二是掃描儀設(shè)備的精度，是有儀器本身的測(cè)量距離、測(cè)量角度和錐掃角共同決定的；三是傳感器彼此空間關(guān)系因素，主要是指系統(tǒng)檢校的精準(zhǔn)度。

（一） GPS測(cè)量精度糾正方法

在車(chē)載LiDAR系統(tǒng)中，由于是隨著車(chē)輛行駛來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的，在行駛過(guò)程中，城市環(huán)境的不斷變化總免不了GPS信號(hào)失鎖問(wèn)題的發(fā)生。

為避免此問(wèn)題，在車(chē)載LiDAR系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)GPS、IMU組成的導(dǎo)航傳感器以及提高設(shè)備精度方式來(lái)避免。然而，在市政道路的實(shí)際測(cè)量工作中，車(chē)輛行駛過(guò)程中周邊環(huán)境是不斷變化的，當(dāng)遇到大型建筑物、過(guò)街天橋等情況時(shí)，會(huì)發(fā)生GPS信號(hào)短時(shí)間內(nèi)失鎖問(wèn)題，影響到測(cè)量數(shù)據(jù)的連續(xù)性，進(jìn)而影響測(cè)量精度。

針對(duì)LiDAR系統(tǒng)車(chē)輛載體被周邊環(huán)境中物體遮擋引起的數(shù)據(jù)信號(hào)中斷、動(dòng)態(tài)誤差和IMU誤差積累等問(wèn)題，通過(guò)GPS、IMU組合導(dǎo)航方法，能夠在一定程度上消除這種誤差，但無(wú)法全部抵消，對(duì)此，可以通過(guò)在GPS系統(tǒng)中加入已知位置數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正。根據(jù)卡爾曼濾波原理，車(chē)載LiDAR系統(tǒng)在GPS信號(hào)失鎖時(shí)，就會(huì)失去此段過(guò)程中的GPS數(shù)據(jù)，進(jìn)而影響到對(duì)下一位置數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)，通過(guò)引入已知位置數(shù)據(jù)的方法，即使在沒(méi)有GPS數(shù)據(jù)的情況下，也可以對(duì)預(yù)測(cè)精度進(jìn)行一定控制，從而提高預(yù)測(cè)精度[2]。

（二） 激光掃描儀、傳感器空間關(guān)系測(cè)量精度糾正方法

車(chē)載LiDAR系統(tǒng)的傳感器是剛性綁定的，其與載體之間關(guān)系是固定的，因此，為保證傳感器測(cè)量精度不會(huì)受彼此間空間關(guān)系干擾，需要在實(shí)際使用前進(jìn)行綜合校驗(yàn)，主要校驗(yàn)內(nèi)容包括：激光掃描儀測(cè)角、測(cè)距精度、以及測(cè)量錐掃角的大小以及各傳感器之間相對(duì)位置關(guān)系。

三、車(chē)載LiDAR技術(shù)在市政道路測(cè)量三維精度控制措施

從上述可知，車(chē)載LiDAR技術(shù)測(cè)量三維精度的影響因素主要是GPS失鎖和系統(tǒng)本身精度兩個(gè)方面，對(duì)此，要提高測(cè)量三維精度，可以從以下兩方面進(jìn)行控制：

（一）提高車(chē)載LiDAR失鎖狀態(tài)下的測(cè)量精度

為提高失鎖狀態(tài)測(cè)量精度，本文采取了在車(chē)載LiDAR系統(tǒng)中加入里程計(jì)的措施，在系統(tǒng)測(cè)量中發(fā)生會(huì)GPS信號(hào)失鎖時(shí)，里程計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)起到輔佐導(dǎo)航作用，進(jìn)而確保系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，但是，在使用此方法時(shí)，需要注意以下兩點(diǎn)：

第一，里程計(jì)要具有較高的精度。里程計(jì)的精度在GPS信號(hào)失鎖的時(shí)間段內(nèi)，是影響最終導(dǎo)航精度的直接因素，只有確保里程計(jì)設(shè)備的精度值，才能最大程度的減小失鎖引起的精度誤差。

第二，里程計(jì)設(shè)備要與IMU和GPS靠近，使此三者共同構(gòu)成統(tǒng)一的剛性單元，避免發(fā)生非必要的集成測(cè)量誤差。

（二）添加一定量的特征控制點(diǎn)

首先，設(shè)計(jì)與選取控制點(diǎn)。在設(shè)計(jì)控制點(diǎn)時(shí)，要保證控制點(diǎn)容易被識(shí)別和觀測(cè)，以便于能夠在點(diǎn)云中快速找出控制點(diǎn)；同時(shí)，為了避免大量的外業(yè)工作，還可以通過(guò)市政道路中已有的地面交通標(biāo)志，比如道路直行箭頭、緊急停車(chē)帶中的箭頭等，將其設(shè)為特征控制點(diǎn)[3]。

其次，對(duì)測(cè)量的三維精度進(jìn)行修正。參照坐標(biāo)映射的基本原理，將控制點(diǎn)的相關(guān)信息錄入到點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫(kù)中，并結(jié)合實(shí)際對(duì)控制點(diǎn)信息進(jìn)行確認(rèn)，再根據(jù)車(chē)載LiDAR技術(shù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的GPS時(shí)間線(xiàn)，采取線(xiàn)性?xún)?nèi)差改正的方法處理兩個(gè)相鄰時(shí)刻內(nèi)的三維數(shù)據(jù)，從而得到精度更高的測(cè)量三維數(shù)據(jù)。在選擇控制點(diǎn)時(shí)，彼此之間的距離以500-1000米之間為宜，且不能沿同一直線(xiàn)布置，應(yīng)當(dāng)采取道路兩邊交叉選取的方式，在具體跨度上，可以根據(jù)被測(cè)區(qū)域的GPS信號(hào)來(lái)進(jìn)行確定。

結(jié)語(yǔ)：

車(chē)載LiDAR技術(shù)作為一種新興的測(cè)量技術(shù)，其便捷性、高效性對(duì)于市政道路測(cè)量工作的開(kāi)展有著重要作用，但是針對(duì)目前實(shí)際使用中三維精度容易受到影響的問(wèn)題，還需要采取合理的措施來(lái)進(jìn)行控制，以促進(jìn)車(chē)載LiDAR技術(shù)在市政道路測(cè)量中的使用。

參考文獻(xiàn)：

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[2]韓友美，楊伯鋼.車(chē)載LiDAR技術(shù)市政道路測(cè)量高程精度控制[J].測(cè)繪通報(bào)，2013，08：18-21+35.

[3]李永強(qiáng)，王文越，鄭艷慧，曹鴻，孫鵬，楊莎莎.基于車(chē)載LiDAR數(shù)據(jù)的道路邊界精細(xì)提取[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，04：458-462.