潘群科

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

在當(dāng)前國民經(jīng)濟發(fā)展過程中，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)量在不斷擴增的同時，為區(qū)域經(jīng)濟貿(mào)易往來奠定了良好基礎(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)階段中國激光雷達(dá)測量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，對其在道路養(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)測量；道路養(yǎng)護(hù)；應(yīng)用策略

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

激光雷達(dá)測量目前在國際上和中國都有了很多應(yīng)用，發(fā)展前景很被看好。但與航空雷達(dá)類似，其核心的IMU 依然依靠進(jìn)口，嚴(yán)重制約了中國應(yīng)用的發(fā)展。國際一流LIDAR 廠商在華代理主要包括：RIEGL、Opthch 等。激光雷達(dá)測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，通過集成IMU 及GPS，可以實時移動獲取掃描數(shù)據(jù)，并通過經(jīng)標(biāo)定的高速攝像機獲取對應(yīng)影像用于后續(xù)貼紋理等處理。中國現(xiàn)有北京富斯德公司代理的Riegl VMX-250 移動激光掃描系統(tǒng)、北京德可達(dá)公司代理的StreetMapper 移動激光掃描系統(tǒng)、北京麥格天富代理的Landmark 移動激光掃描系統(tǒng)等。這些移動激光掃描系統(tǒng)都是在汽車頂部安裝1～3 個經(jīng)定標(biāo)的激光掃描儀，并集POS 系統(tǒng)（IMU+GPS）以及各類高速攝影機[1]。

2010年，中國在北京召開了“第一屆全國激光雷達(dá)對地觀測高級學(xué)術(shù)研討會”，指出了激光雷達(dá)的發(fā)展走向。國家十二五計劃中已經(jīng)將激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集及處理放在了一個重要發(fā)展的戰(zhàn)略位置，未來國家將力主發(fā)展激光雷達(dá)及3S 集成的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多平臺、多尺度應(yīng)用。而國際上，激光雷達(dá)的發(fā)展已經(jīng)步入了一個新的階段，即由地面、移動、航空LIDAR 向航天LIDAR 轉(zhuǎn)變。據(jù)日本媒體報道，日本富士通研究所于2012年10月29日發(fā)布消息稱，已開發(fā)出了水平和垂直兩個方向的檢測角度均可達(dá)到140 度的激光雷達(dá)。適用于檢測汽車后方的車輛等。

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

2 激光雷達(dá)測量技術(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)展過程中，現(xiàn)階段雖然中國已經(jīng)形成了四通八達(dá)的快速公路運輸通道，但是由于常年受車輛碾壓的影響，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，對國家整體發(fā)展也造成了極為不利的影響。就目前來看，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)測量技術(shù)是極為必要的。

簡單來講，所謂的“激光雷達(dá)測量技術(shù)”其實本質(zhì)上而言就是一種測量技術(shù)，即工作人員通過將激光測距與GPS(全球定位系統(tǒng))、IMU（慣導(dǎo)系統(tǒng)）和攝影測量系統(tǒng)等融合在一輛數(shù)據(jù)采集車上，而后通過差分GPS 確定測量車精確位置、激光測距測量與周圍環(huán)境的距離和角度、近景攝影測量反應(yīng)地物類別，以此在確定被測點三維坐標(biāo)的同時，為后期養(yǎng)護(hù)工作的順利展開奠定良好基礎(chǔ)[2]。

2.2 三維激光掃描技術(shù)的實踐

2.2.1 數(shù)據(jù)采集

在進(jìn)行道路養(yǎng)護(hù)過程中，為確保養(yǎng)護(hù)工作的規(guī)范化實施，相關(guān)部門的工作人員需確保數(shù)據(jù)采集工作落實到位，而通常來講在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作前，工作人員還要做好控制測量，即通過將測量設(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)的落實奠定良好基礎(chǔ)。在將激光雷達(dá)測量實踐于道路養(yǎng)護(hù)時，控制網(wǎng)布的布設(shè)需謹(jǐn)遵“先整體，后局部；先高級、后低級；分級布設(shè)，逐級控制”的原則，具體而言就是工作人員聯(lián)合經(jīng)檢驗后的國家高級控制點作為控制網(wǎng)首級控制點進(jìn)行全球靜態(tài)定位測量，在進(jìn)行測量時為了確保測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度工作人員可對控制點進(jìn)行加密處理，由此在確保采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的同時，為后期作業(yè)的有序進(jìn)行打下堅實基礎(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，工作人員需及時對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而為后期養(yǎng)護(hù)工作的順利開展奠定良好基礎(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)信息的離散點以及帶有噪點的云數(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)真實坐標(biāo)和信息的點云數(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，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，其具體處理流程是工作人員工作將噪點云數(shù)據(jù)進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)，首先確定下來兩個位置較遠(yuǎn)的點云相對位置關(guān)系，從而得到一個大范圍內(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)在掃描過程中，通常而言也會得到一些不需要的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的存在會對道路的建模造成一定影響，故此為從根本上規(guī)避上述問題的產(chǎn)生，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時，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)測量技術(shù)應(yīng)用過程中，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，而在道路建模過程中，需要用到的數(shù)據(jù)其實主要是地面坐標(biāo)系，因此工作人員在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，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 提取車道斷面參數(shù)

（1）提取車道線參數(shù)

作為道路斷面參數(shù)基準(zhǔn)，在進(jìn)行斷面參數(shù)提取過程中，工作人員需首先提取車道線。在進(jìn)行車道線提取過程中，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)車道油漆邊緣線對激光的反射和路邊對激光反射強度不同提取車道邊線，并將其作為道路斷面參數(shù)計算基準(zhǔn)進(jìn)行計算。

（2）計算道路傾斜參數(shù)

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

（3）擬合剖面曲線

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

3 結(jié)語

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