劉文文 江小利 顧鵬飛

摘 要：我國(guó)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(dá)的快速公路運(yùn)輸通道。然而道路常年被車輛的碾壓和磨損，車道必然會(huì)產(chǎn)生變形和凹陷。本文通過車載激光雷達(dá)掃描技術(shù)，對(duì)道路縱橫斷面參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，供道路養(yǎng)護(hù)部門進(jìn)行參考，以保障道路出行安全。

關(guān)鍵詞：三維激光雷達(dá)；道路養(yǎng)護(hù)；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(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)采集車上形成的現(xiàn)代化測(cè)量技術(shù)。它通過差分GPS確定測(cè)量車的精確位置，通過激光測(cè)距測(cè)量與周圍環(huán)境的距離和角度，通過近景攝影測(cè)量反應(yīng)地物類別。該系統(tǒng)通過測(cè)量發(fā)射激光的水平角、垂直角和發(fā)射激光脈沖測(cè)量距離，來(lái)確定被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

2 數(shù)據(jù)采集

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前首先開展控制測(cè)量?？刂凭W(wǎng)布設(shè)過程中應(yīng)遵循“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。首級(jí)控制網(wǎng)采用全球靜態(tài)定位測(cè)量，聯(lián)測(cè)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)。在對(duì)首級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行加密時(shí)可采用快速靜態(tài)定位測(cè)量或者靜態(tài)全球定位系統(tǒng)測(cè)量的方法。做好控制后便可以安裝設(shè)備進(jìn)行車載雷達(dá)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(qiáng)度、回波次數(shù)等物理參數(shù)信息的離散點(diǎn)。獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不僅有噪點(diǎn)而且所獲得點(diǎn)云坐標(biāo)系并非地面坐標(biāo)系統(tǒng)下的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，所以需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以得到可以反映目標(biāo)真實(shí)坐標(biāo)和信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。故而需要對(duì)動(dòng)態(tài)掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理。

3.1 數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

配準(zhǔn)主要分為兩步，首先要進(jìn)行粗配準(zhǔn)，然后進(jìn)行精確配準(zhǔn)。粗配準(zhǔn)主要是將點(diǎn)云進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)，把兩個(gè)距離較遠(yuǎn)的點(diǎn)云的相對(duì)位置關(guān)系確定下來(lái)。得到一個(gè)大致準(zhǔn)確的平移旋轉(zhuǎn)矩陣。精確配準(zhǔn)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(zhǔn)的初始值進(jìn)行更加精確的計(jì)算得到精確的平移旋轉(zhuǎn)矩陣。

ICP配準(zhǔn)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(huì)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(diǎn)云數(shù)據(jù)，還有掃描過程中的粗差數(shù)據(jù)。這些可能會(huì)干擾對(duì)道路的建模，所以要將這些噪聲和粗差剔除。

3.3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)為站心坐標(biāo)系統(tǒng)，以掃描中心為原點(diǎn)。然而實(shí)際應(yīng)用中需要的多為地面坐標(biāo)系。所以要將站心坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為地面坐標(biāo)系。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換需要七個(gè)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(gè)公共點(diǎn)列出誤差方程，根據(jù)最小二乘原理，求解出七個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)。實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)由站心坐標(biāo)系到地面坐標(biāo)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(zhǔn)，首先應(yīng)該提取道路車道線。激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)除坐標(biāo)信息外，還有回波次數(shù)、反射強(qiáng)度等信息。反射強(qiáng)度信息在一定程度上反映不同對(duì)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(cè)物體表面時(shí)會(huì)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(qiáng)度的差異。本文根據(jù)車道油漆邊緣線對(duì)激光的反射和路邊對(duì)激光反射強(qiáng)度不同提取車道邊線，作為道路橫斷面參數(shù)計(jì)算的基準(zhǔn)，以車道線法線作為道路剖面的起始點(diǎn)。

4.2 計(jì)算道路傾斜參數(shù)

使用terrasolid激光雷達(dá)處理軟件分類出地面點(diǎn)。根據(jù)點(diǎn)云擬合數(shù)路面斷面線，進(jìn)而計(jì)算道路傾斜各項(xiàng)參數(shù)（如圖1）所示。計(jì)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(diǎn)計(jì)算道路中線至左右兩側(cè)道路邊線傾斜角度和前進(jìn)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(dá)到3.2度 。

4.3 擬合剖面曲線

以航跡線為基準(zhǔn)計(jì)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(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。這些參數(shù)對(duì)車輛在行駛過程中的安全保證有著重要意義。

5 結(jié)語(yǔ)

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(shí)遺留的某些缺陷，公路使用質(zhì)量會(huì)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(huì)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(xiǎn)。因此，公路建成通車后必須采取養(yǎng)護(hù)維修措施，并不斷進(jìn)行更新改善。采用車載激光雷達(dá)對(duì)道路地面進(jìn)行掃描，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、去噪和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。經(jīng)過分類后可以獲取道路的高精度地面模型，計(jì)算道路道路斷面參數(shù)和匯水深度。道路養(yǎng)護(hù)部門根據(jù)點(diǎn)云和斷面參數(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)路面進(jìn)行維護(hù)和搶修，保持公路暢通。

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作者簡(jiǎn)介：劉文文（1990-），男，河南信陽(yáng)人，碩士，研究方向：航空攝影測(cè)量與遙感。