羅相濤

（1.廣州市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，廣東 廣州 510060）

隨著我國城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，早期道路已無法滿足城市發(fā)展需要，城市道路的改建、擴建和新建迫在眉睫，因此高效、合理、精確設(shè)計道路工程至關(guān)重要[1-2]。道路縱橫斷面能真實反映地面的起伏現(xiàn)狀，是道路設(shè)計、工程預(yù)算和竣工驗收的重要基礎(chǔ)資料。傳統(tǒng)縱橫斷面測量通常采用全站儀、GNSS RTK等方法依據(jù)設(shè)計中線逐點采集，操作繁瑣，外業(yè)工作量大、效率低，無法滿足日益增長的城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求[3-4]。車載LiDAR技術(shù)作為激光掃描領(lǐng)域的重要分支，以汽車等移動載體為平臺，是集激光掃描系統(tǒng)、高精度定位定姿系統(tǒng)、影像系統(tǒng)、同步控制器于一體的探測技術(shù)，具有精度高、測量快、受天氣干擾低等優(yōu)勢，可快速獲取道路及其兩側(cè)地物的三維空間信息，為道路工程設(shè)計提供了新方法[5]。眾多學(xué)者[6-9]利用LiDAR 點云數(shù)據(jù)對城區(qū)道路進行初始提取，并高效繪制道路縱橫斷面圖，為精細(xì)化城市管理提供了新的技術(shù)手段；但與高效、完整的需求還存在一定差距。鑒于此，綜合精度和作業(yè)效率等相關(guān)因素，本文將車載LiDAR 的移動GNSS 數(shù)據(jù)與連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（CORS）進行后差分處理，并與IMU 數(shù)據(jù)融合解算得到航跡數(shù)據(jù)，進而重新解算原始點云，得到初始點云；再對點云進行著色、降噪、濾波、分類等操作，得到高精度的地面點點云；最后疊加道路設(shè)計中線提取縱橫斷面數(shù)據(jù)，繪制縱橫斷面圖。

1 設(shè)計實現(xiàn)

1.1 技術(shù)流程

車載LiDAR 的激光掃描儀通常傾斜放置在汽車上，以獲取到目標(biāo)點的距離等幾何信息。車載GNSS記錄行駛過程中的地理位置，IMU 同時記錄激光掃描儀的俯仰角、側(cè)滾角和航偏角等姿態(tài)數(shù)據(jù)，全景相機動態(tài)獲取地物表面的影像信息[10]。根據(jù)上述原理，本文設(shè)計的道路縱橫斷面提取流程見圖1，包括數(shù)據(jù)采集、航跡解算、點云處理、縱橫斷面提取4 個步驟。

圖1 技術(shù)流程圖

1.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是數(shù)據(jù)應(yīng)用的先驅(qū)。車載LiDAR數(shù)據(jù)采集前，首先需對作業(yè)區(qū)進行實地踏勘，制定作業(yè)方案，規(guī)劃行駛路線，綜合交通情況、天氣預(yù)報等因素，確定采集時間段。在GNSS 信號良好的空曠區(qū)域安裝設(shè)備，依次開啟控制器、IMU/GNSS、全景相機、激光掃描儀等系統(tǒng)，查看控制端與設(shè)備連接、設(shè)備運行狀態(tài)是否正常并設(shè)置采集參數(shù)。開啟IMU后，車載LiDAR 應(yīng)原地靜止5 min 再行駛一段L 形路線，使IMU 初始化。全景相機設(shè)置為按距離觸發(fā)。以CORS 為基站，車載GNSS 接收的衛(wèi)星數(shù)量應(yīng)大于6 顆。各項準(zhǔn)備工作完成后，沿規(guī)劃路線采集數(shù)據(jù)。車速為60 km/h，避免急剎車、倒車、急轉(zhuǎn)；在樹下、橋下應(yīng)平穩(wěn)行駛，記錄影響數(shù)據(jù)質(zhì)量或完整性的問題。采集作業(yè)完成后，從控制器中完整拷貝采集數(shù)據(jù)，依次關(guān)閉各采集設(shè)備，最后關(guān)閉車載Li-DAR電源。

1.3 航跡解算

車載LiDAR的航跡解算又稱POS解算，其目的是獲取車載LiDAR在某一時間（UTC）精確的經(jīng)緯度坐標(biāo)值、航速和角度值[11]。本文采用Inertial Explorer（GNSS/IMU）后處理軟件進行航跡解算，主要包括原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、耦合處理（GNSS 后差分解算、GNSS/IMU 組合解算、平滑處理）、輸出結(jié)果等步驟。原始基站和車載GNSS 數(shù)據(jù)格式先轉(zhuǎn)換為程序能識別的GPB格式；同時根據(jù)實際情況輸入偏心分量、IMU測姿；可按時間間隔（0.005 s，即1 s輸出200個點）或距離間隔（1 m，即1 m輸出1個點）輸出WGS84坐標(biāo)系下的航跡數(shù)據(jù)。

1.4 點云處理與縱橫斷面提取

點云處理主要包括點云解算、點云降噪和點云濾波分類?？v橫斷面提取包括里程文件編制和縱橫斷面圖繪制，工作量巨大。CAD作為設(shè)計軟件，不僅可以加載點云，而且提供了二次開發(fā)工具，在實際工作中應(yīng)用廣泛[12]。本文采用CAD VBA開發(fā)了縱橫斷面提取工具，首先在地面點點云上疊加設(shè)計中線，由于地面點不會完全在斷面線上，需設(shè)置閾值將搜索范圍內(nèi)的地面點歸為斷面點云，將距離中樁最近點云的高程視為中樁高程；然后計算斷面上各點與中樁的距離和高差，并按一定格式生成道路里程文件；最后調(diào)用CAD繪圖工具生成縱橫斷面圖。道路縱橫斷面提取界面見圖2。

圖2 道路縱橫斷面提取界面

2 工程實例應(yīng)用

本文以海寧市鵑湖公園周邊道路改造工程為實例，論證本文方法的可行性。項目范圍東至環(huán)城東路、南至江南大道、西至碧云南路、北至海州東路，路線總長10 km，2021 年9 月29 日進行了首次數(shù)據(jù)采集，采集時氣溫為32℃、微風(fēng)、空氣質(zhì)量優(yōu)（PM2.5＜35），采集耗時2 h。項目采用華測AS-900 多平臺激光雷達(dá)系統(tǒng)（車載方式），整體發(fā)射頻率為55 萬點/s，最大測距為920 m，IMU 后處理位置誤差水平為0.01 m，垂直為0.02 m，航向誤差為0.017°。項目采用Inertial Explore 解算航跡，采用隨機軟件CoPre 進行點云融合、著色、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和初步去噪，采用TerraSolid 進行點云分類獲取地面點，最終通過開發(fā)工具提取斷面98 條。數(shù)據(jù)處理設(shè)備采用聯(lián)想ThinkPad-P1（CPU 型 號IntelE-2176M、CPU 主 頻2.7 GHz、RAM 32 GB），處理耗時3.5 h。提取過程部分效果見圖3～6。

圖3 原始點云

圖4 點云降噪濾波

圖5 點云分類（整體）

圖6 疊加線路中心

縱橫斷面提取精度取決于地面點云精度，本文采用人工實地測量道路標(biāo)志線角點的方法對點云進行精度評價。點云在反射強度模式下可清晰查看標(biāo)志線點云坐標(biāo)與人工測量坐標(biāo)的差值。實地共測量173 個標(biāo)志點，通過比較得到與對應(yīng)點云在3 個方向上的誤差（表1），可以看出，高程誤差最大為4.2 cm，平面誤差最大值為7.4 cm；高程中誤差為3.5 cm，平面中誤差分別為3.2 cm、3.3 cm，說明高程精度高于平面精度。在高程方向，由于道路地面較平坦，高程變化不大，可反映實際測量精度；而在平面方向，雖然道路路面點云密度達(dá)到100個/m2，但標(biāo)志線角點坐標(biāo)還是不能完整獲取，會帶來一定誤差。

表1 車載LiDAR點云檢測精度統(tǒng)計/cm

通過開發(fā)工具共提取98條斷面，人工實地沿斷面測點127個，以檢核提取斷面的相對精度（表2），可以看出，基于點云提取的斷面相對精度，高程誤差最大值為3.7 cm，平面誤差最大值為6.3 cm；高程中誤差為3.6 cm，平面中誤差分別為3.3 cm、3.3 cm，說明華測AS-900 多平臺激光雷達(dá)系統(tǒng)在道路測量中的高程精度優(yōu)于4 cm，平面精度優(yōu)于5 cm，可滿足道路縱橫斷面提取的精度要求。

表2 基于點云提取的斷面相對精度統(tǒng)計/cm

3 結(jié)語

車載LiDAR具有作業(yè)周期短、勞動強度低、測量精度高等優(yōu)點。本文在車載LiDAR直接獲取道路沿線三維地表信息的基礎(chǔ)上，結(jié)合點云處理軟件和縱橫斷面提取軟件，設(shè)計了適用于道路縱橫斷面測量的技術(shù)流程，實現(xiàn)了道路縱橫斷面的自動快速提取。工程應(yīng)用表明，車載LiDAR是獲取道路縱橫斷面最具優(yōu)勢的測量方法之一，能滿足道路維護測量、改擴建測量的需求。