吴军

四川省交通勘察设计研究院有限公司

摘 要：以实际施工项目为例，研究在公路改扩建测绘施工中使用车载激光扫描技术的具体情况，构建规范性的技术程序，形成具备三维地理空间坐标的全景影像与激光点云，在提取路面点和道路线以后，准确获取了满足道路路面特征和道路信息的高程与坐标。

关键词：公路测量;车载;激光扫描;

1 车载激光扫描技术概述

车载激光扫描测量系统的组成部分有：计算存储单元、车轮编码器、全景相机、惯性导航系统、全球卫星定位系统、激光扫描仪等。在车辆行驶过程中，它能够同步采集影像数据和三维激光点云数据，且密度高、精度高，在定位精准度和类型多样化等层面表现出了超强的优势[1,2]。与传统测量技术相比，车载激光扫描技术无论是后期数据处理速度和精度还是数据丰富度都更高，并且测绘数据采集技术在行业中属于最前端。

2 项目背景

以某县2条地形地貌和长度基本相同的县级道路为例，分析车载激光扫描测量系统在高海拔复杂地形中作业的效率和精度指标。道路X1的长度约150km，道路X2的长度约为145km。使用传统测量技术测量道路X1，使用新型车载激光扫描技术测量道路X2，对比这两种技术的作业程序和核心测量技术，并分析其各自的优缺点。

使用的车载激光扫描仪为澳大利亚MaptekI-site8820扫描仪。该仪器内置的相机像素达到7 000万，扫描距离为2km，使用的扫描器为高激光扫描器，从而在最短的时间内高效获取被测物体的三维信息。扫描操作使用的主要设备为手持控制器，通过自带的14倍望远镜镜头进行后视和手持控制器进行操作扫描，将劳动强度降到最低，野外作业施工效率得到显著提高。

3 公路测量中车载激光扫描技术的应用

3.1 实验过程

确定勘测试验场地，部署全球定位系统（Global Posi?tioning System,GPS）控制网和4等水准网。共布置了132个D级控制点、383个一级加密GPS控制点。主要考虑控制点分布合理、密度均匀、便于直接使用。X2线GPS控制网在X1线独立坐标系中联合测量了3个D级GPS点，同步观测时间为180min，将GPS计算结果作为起始数据。

X1线采用全场数字测绘方法，利用载波相位差分技术（Real Time Kinematic,GPS-RTK）进行图根控制测量和碎片点采集。经现场采集、补充测量、检测后，使用南方CASS9.1软件进行内部处理。

考虑到尽可能提升扫描数据的精确性，将X2线工程分成了5段，具体为：AK段50.422km、BK段33.58km、CK段6.553km、DK段23.618km、LK段12.541km，从而实施分段扫描测量。从点云到测绘结果的实现包括点云拼接、数据过滤、数据简化、地理测量、数字高程模型（Digital Eleva?tion Modeling,DEM）建模、纵横剖面图生成，并通过随机软件包I-Site studio软件平台来处理所有数据。

3.2 测区交通条件

测量区域为高原地区，平均海拔达到4 700m，最高处海拔达到5 000m以上，施工区域的空气非常稀薄，地势落差起伏大，气候瞬息万变，日温差变化明显，交通条件比较差，野外作业施工人员会出现缺氧或者冻伤的情况。最终决定使用新型车载激光扫描技术和无人机测绘技术，显著提升施工的工作效率并减少野外作业的工作量，保证测量工作在规定的时间内完成。

由于气候变化明显，气温高低起伏，航线落差非常大，严重影响无人机的稳定性，大幅降低了施工作业的效率。在全面分析技术路线后，决定使用车载激光扫描技术，其稳定性比较强，能够在-40～50℃温度区间正常作业，同时具有超强的防水性和防尘性。

3.3 布设基准站

作业区中未能发现省级或者国家级水准点和控制点，已有的测量控制点不能当作起算点，需使用GPS静态同步观测法埋设首级控制点，并在线路X1和X2上设置单独的坐标系，将与GPS同步的WGS84坐标系作为核心坐标系，中央子午线为92°30′00″，将4 700m测区的平均高程面设置为投影面，确保最终的数据结果更加准确。

3.4 布设激光扫描靶标

受到坐标轴指向、惯导坐标系的原点、激光扫描仪坐标系不同等因素的影响，GPS/IMU (Inertial Measurement Unit，惯性测量单元）组合定位定姿系统给出的姿态和位置不可以直接用于车载激光点云的算法中。使用车载激光扫描系统过程中，首先确定惯导坐标系与激光扫描仪坐标系的相对位置关系，然后使用三维控制点标定车辆激光扫描系统。在道路两侧按照规定的间距设置靶标点，实现高精度标定车载激光扫描系统。

3.5 处理扫描盲区

在激光测量中，难点之一是存在测量死角，将激光扫描仪设置于移动车辆中，因为扫描仪安装位置、车辆高度等因素，激光扫描仪的视角可能会被遮挡一部分，由此产生了扫描盲区。此外，由于道路沿线存在桥梁、广告牌以及护栏等，这些构筑物也会挡住部分视角，造成激光扫描盲区，进而出现点云空洞。为保证扫描数据的完整性，在作业时抬高车顶底座和激光扫描仪安装高度，增设激光扫描探头2个，沿着道路双向反复扫描，并使用GPS-RTK对采集漏洞区域予以弥补，使道路两侧地形图测绘结果更加完整。

3.6 处理车载激光扫描数据

车载激光测量系统的测量数据量比较大，存在非连续覆盖的情况，给数据的进一步使用、传输和解算处理带来了负面影响[3]。扫描激光点云数据存在冗余性，体现在：①多次扫描同一位置，因此数据存在重复的可能性；②多余数据非常多，例如在提取建筑信息时，只要提取到墙体边缘的点云数据即可，墙面中间部位可以不用处理；③受环境的影响，点云数据会存在噪声点，出现大量与扫描目标不相关的冗余数据。

点云的噪声去除在点云预处理中非常重要，目的是去除无关的目标，以此获取到“干净”的目标点云。作业过程中，通常存在环境噪声和目标噪声两大类。处理数据时，需要根据噪声的尺度来进行滤除，先按照顺序去除数据环境噪声，以此减小数据分析的范围和数据量，之后再去除目标噪声。

3.7 评价成果精准度

使用中误差的方式评价测量成果的精度。本项目对公路施工设计中测量数据的精度要求比较高。成果控制和研究结论受评价指标、测量成果精度平差和测量数据精度的影响非常明显。成果精度平差的指标设定包括多项内容，如高程中误差检查、控制测量平面位置中误差等，还要对横断面、中桩的精度进行检查。对比GPS-RTK测绘技术与车载激光扫描技术，合理配置成本、仪器和施工人员，同时做好成图精度和作业繁琐程度等指标的设定。

3.8 实验结果

(1）使用新型车载激光扫描技术后，及时获取了道路带状地形土体测绘和断面与中桩测量成果，在实地检查点云坐标和测量点坐标后，共有200个控制点被测量，误差控制在0.04m以内。使用1∶1000地形图检查精度，邻近图根点与地物点的点位误差保持在±4.6cm，与高程标记点的误差保持在±6.8cm。结果表明，测量的数据误差在规定范围之内，在传统GPS-RTK、全站仪和1∶1000带状道路测绘数据的采集过程中，使用激光扫描测绘技术能够显著提升测量结果的可靠性和精确性。

(2）利用MaptekI-site8820长距离三维激光扫描技术，对精度平差控制技术、点云数据自动处理技术、长距离激光扫描地物精度控制技术和靶标布设优化方案设计等进行了分析，在此基础上得到线路X2两侧200m内的地貌和地形激光点云数据，再使用MaptekI-SiteStudio处理软件高效获取关于激光测绘超远距离地形的数据。

(3）车载激光扫描技术在设备安全、人员投入、成本以及作业效率方面拥有绝对的优势，缺点主要表现为：基站范围会对扫描精度带来影响；扫描存在盲区；电脑配置标准高；后期数据处理工作量大；仪器设备成本投入高等。整体来看，在公路测量中使用车载激光扫描技术，成本投入和工作效率都会发生很大改变。

4 结语

车载激光扫描系统的应用可以大大扩大数据采集的范围，增强数据采集能力，显著提升施工现场的数据采集效率，实现了全方位的三维空间信息采集和反射强度信息获取，从而满足空间信息的表达和获取需求，突破了传统测量技术的局限，使其技术优势在公路测量领域得到最大化的发挥。深入研究车载激光扫描系统的使用效果，对不同方案进行了对比分析，综合考虑各方面的影响因素，获得了最佳的测量方案。

参考文献

[1] 薛效斌，钱星，马宁.基于车载三维激光扫描的地形图数据采集的研究[J].北京测绘，2014(1):88-90,110.

[2] 王克峰，平超越.车载三维激光扫描系统在公路断面测量中的应用[J].测绘与空间地理信息，2018(8):195-197.

[3] 朱召锋.车载激光扫描技术在公路扩改建测绘中的应用[J].北京测绘，2019(11):1348-1351.

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