车载激光扫描技术在公路测量中的应用

车载激光扫描技术在公路测量中的应用

摘要：传统的公路测量工程主要采用水准仪、全站仪或RTK等测量方法联测

得到数据。针对传统测量方法工作量大,效率低、干扰正常交通秩序等问题,采用

车载激光扫描测量系统，可快速获得路面点坐标信息及道路两侧情况。本文结

合项目实际,阐述了车载激光扫描技术的基本原理和作业技术流程，通过在公路

测量的应用,分析了数据采集和处理中的关键技术,并通过点云数据提取获得符合

精度要求的目标点的坐标和高程。

关键词：车载；激光扫描技术；公路测量；

一、车载激光扫描技术的工作原理及特点

1.1工作原理

车载激光扫描系统是将三维激光扫描仪、导航定位系统和惯导系统联合使用，实现对动态扫描快速定位的测量系统。其工作原理是车辆在移动过程中,GPS测量

记录扫描仪运行轨迹在世界坐标系中的实时位置;激光扫描仪则记录目标的大小、形态和距离;惯导系统则计算扫描仪的运行姿态;然后利用时间和空间上的检校信息,通过统一的地理参考和解析处理实现动态实时的获取目标点三维坐标信息的

功能。

车载激光扫描系统主要由以下几部分组成:三维激光扫描仪、GNSS天线、高

精度IMU、电子转台、里程计、线阵相机和笔记本电脑;三维激光扫描仪﹑相机和

惯导系统固定在电子转台上,里程计安装在车辆的轮胎上。

1.1.1车载激光扫描系统实现技术同步

车载多传感器同步技术是车载激光扫描技术的重中之重。首先通过同步控制

软件将各组件开始数据采集的时间相统一;然后采集数据时以流动站卫星定位接

收机的时间为标准,GPS 向激光和惯导系统不断地发秒脉冲与此同时激光与惯导

系统向卫星定位接收机的I\O口打标,这样就能将激光和惯导系统采集到的数据

贴上世界协调时的标签,而激光发出的秒脉冲可以通过电子转台和线阵相机的控制及来实现时间上的同步。

1.1.2 GPS和 IMU相辅相成

GPS可以提供非常准确的位置,有着较高的稳定性。虽然利用GPS 差分定位技术可以得到厘米级的精度，但由于大型的构建筑物的遮挡或多路径效应,经常会遇到一直处于浮动状态、定位精度差的情况。惯导系统却具备在不良环境中能够实现平稳输出的优点,其有较高的稳定性,缺点是伴随着时间积累,导航精度下降。

1.1.3点云数据的匹配融合

惯导系统不但可以提供三维激光扫描系统的姿态信息，还可以提供较为精确的定位信息,从而求出各个扫描点的偏移坐标，再将偏移坐标和扫描车的瞬时大地坐标两两相加，就可以获取扫描点在大地坐标下的坐标值了。在扫描时刻扫描点的单点坐标,按照扫描点的空间姿态﹐去跟扫描仪获取的距离参数和角度参数进行匹配,就可以推算得到激光点云数据,而且将融合后的三维激光点云数据和线阵相机所获取的物体的纹理数据再一次进行融合,就能得到真彩色的激光点云数据。

1.2车载激光扫描技术的特点

(1)高精度。能够提供高达6cm的测量精度﹔

(2)高效率。可快速大量采集空间点信息,可风雨无阻地作业,项目时间大幅缩减;

(3)低强度。人员仅需要操作笔记本电脑,避免日晒雨淋,大量外业工作转至内业;

(4)数据获取自动化。车载激光扫描系统各传感器相辅相成,再加上成熟配套软件,获取数据安全可靠,自动化程度高;

(5)数据获取可视化。获取的点云数据可以全面地反映地形或地貌的表面特征,更加准确、直观,一目了然。

二、公路测量中车载激光扫描技术的应用

2.1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

量系统在海拔较高的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147.6km。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，以利于研究车载激光扫描技术应用于道路测量的作业流

程和关键技术，并对比分析车载激光扫描技术相较传统作业方式的优势和不足。

2.2 实验过程

2020年9月进场，确定勘测试验场地，并布设首级GPS控制网和四等水准网，在测区范围内共布设了15个首级控制点，230个点作为一级加密GPS控制点，在

点位选择上主要考虑点位分布合理,密度均匀，而且便于直接使用。X2线GPS控

制网中联测了X1线独立坐标系下的D级GPS点3个( G505，G506,G507 )。沿线

路平均15 km布设一对首级控制点，同步观测时间180 min，以便将GPS定位结

果转换至地面坐标系时作为起算数据，控制测量从X1线G505，G506，G507为起点，沿 DK，CK，BK，AK，LK段的线路顺序。X1线路采用全野外数字测绘成图方法，利用GPS-RTK进行图根控制测量和碎部点采集，经外业采集、补测、检测，

采用南方CASS9.1软件，进行内业编辑成图。为保证扫描数据的精度，将X2线

路项目工程分为AK段50.422 km，BK段33.58 km，CK段6.553 km ,DK段

23.618 km，LK段12.541 km，进行分段扫描测量。由于每个工点只扫描了1次，且各工点之间互相独立，因此不存在点云块之间的匹配连接问题。

2.3 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，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。

2.4 基准站布设

作业区未收集到国家级、省级控制点和水准点，无法利用已有的测量控制点

作为起算点,采用多台GPS静态同步观测的方法,埋设首级控制点,并在X1、X2线

路建立相对独立坐标系，坐标系采用与GPS同步的WGS84坐标系，3°带，中央

子午线为92° 30’00o" ,投影面为4 700 m测区平均高程面，以保证数据成果

精度。

2.5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。

2.6车载激光扫描数据的处理

车载激光测量系统具有测量速度快、精度高等优点，但也存在非连续覆盖和

数据量巨大等缺点，扫描的激光点云数据具有冗余性主要表现在:一是含有较多

的重复数据;二是含有较多的多余数据;三是点云数据因受到环境等因素的影响而

出现噪声点，产生不属于扫描目标本身的冗余数据。

2.7 实验结果

（1）利用新型车载激光扫描技术，获取道路的中桩、断面测量及带状地形

图测绘成果，经过实测控制测量点坐标与点云坐标比较检查，一共测量了200个

控制点，平均中误差0.039 m，高程平均误差0.31 m。在1∶1 000地形图精度

检查中，地物点相对于邻近图根点的点位中误差为±4.7 cm，邻近地物点间距中