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【摘 要】随着公路勘察设计进程的加快，提出了利用三维激光扫描技术和定位定姿技术实现道路测绘的技术途径。阐述了车载激光测量系统的工作过程，和系统基本构成，并分析了数据处理中的关键技术和解决途径，最后进行了误差分析。车载激光测量系统在行驶过程中采集目标物表面三维信息，以其灵活、机动、快速、经济等优势，在道路勘察设计中发挥着越来越广泛而重要的作用。
【关键词】车载激光扫描；公路改扩建
1.车载激光扫描系统
空间数据快速采集是基础测绘的关键技术， 在道路勘察测绘工程中，通常是以全野外的方式来获取，携带仪器上路施测，对每个横断面的道路中央隔离带、路面、路基边界等多个测量点位进行人工上路测量，对测量人员的人身安全构成了重大隐患，易酿成交通安全事故，由于需要测量人员进行大量地面作业，考虑到道路交通安全、测量人身安全以及测量周期，人力和物力成本较高，难以适应当前大规模增长的高速公路及城市路网改扩建需求。车载激光测量系统是以汽车为平台，搭载激光扫描测量系统，在汽车的行进过程中获取空间信息数据。车载激光测量依托我国稠密的公路网，能够覆盖绝大多数测绘区域，获取基础测绘信息。
车载激光测量作业主要分为基站架设、控制靶标布设、测区点云数据采集和内业数据处理几个部分。基站架设是利用测区已有的GPS控制点作为基站，联合车载激光扫描系统上面配备的GPS，作为后续的GPS解算之用。控制靶标布设是为了满足公路施工设计需要，原始的数据存在的误差无法消除，需要人工布设额外的控制靶标，用以后续的数据处理，提高原始点云数据精度。测区点云数据采集要求操作车载激光扫描测量车在测区内匀速的行驶，确保获取的点云数据的均匀性和稳定性。内业数据处理是对前面的基站数据、控制靶标数据和测区的点云数据进行综合处理，利用基站数据和测区的点云数据，解算得到原始的点云数据，配合控制靶标点坐标，纠正点云坐标，提高点云精度，并根据需要，对点云数据进行分类、提取。
2.测量精度控制
车载移动激光扫描测量及勘测工作分为外业车载扫描和内业数据处理两个方面。
考虑到不同时段GPS信号差异及地物遮挡因素，为保证获取最优的数据成果，分别对双向车道进行单向的两次测量；考虑到保证数据覆盖完整性要求，特选取行车道和应急车道分别作为行车路线。
由于该项目要求成果数据平面中误差不大于0.05m，高程中误差不大于0.02m，而车载设备采集的原始点云数据平面、高程精度均无法满足该要求，故需在道路面布设靶标控制点用于精度纠正。靶标控制点布设原則为单向间隔400m，双向交叉布设。即保证道路两侧每200m有一个靶标点，用于后期内业数据平面和高程精度平差改正。这些点作为靶标控制点，用于参与后续的点云精度校正计算来提高点云精度。
3.靶标布设
为了控制和检查车载激光扫描的精度，需要在道路的两侧布设一定数量的靶标点，其具体布设方案如下：
（1）可以采用道路沿线的特征地物点，如公路的急转弯点、路旁建筑物的四角、路灯底部、交通标识底部、立交边缘等，作为靶标。结合此次测量路况的实际情况，以普通砖头和白色喷漆相结合作为靶标。激光对白色喷漆的反射强度有比较明显的区别，同时，放置的砖头能在激光扫描的过程中形成比较良好的形态，并且约定俗成，在靶标后续的测量过程中，按行车方向的左上角作为测量点。通过这两者的组合，可以确保所布设的靶标控制点和检查点可以在点云中清晰而准确地识别，从而提高点云数据精度和提高作业效率。
（2）靶标均匀布设在高速公路每一边车道的两测，同侧间隔不得大于500m，两侧呈交叉布设。
（3）靶标的平面坐标采用GPS-RTK的方式进行测量，点位中误差不得大于0.03m。
（4）靶标的高程坐标采用水准方式进行测量，以控制点作为起算点，按四等水准的施测要求，构成附和水准路线。
4.点云数据采集及处理
（1）数据采集。数据采集主要包括基站数据、靶标数据以及公路点云数据。基站要求在扫描车开始工作前一个小时开机初始化，并于扫描车结束工作后延迟一个小时关机，设置的采样频率需与扫描车上车载GPS保持一致。靶标数据按照要求进行布设、测量。扫描车在路面上以匀速慢行，保证点云数据的均匀分布。每一次外业采集的数据都必须当天进行数据预处理和质量初步检查，对于不合格的数据，及时进行返工。在此次测量作业过程中，考虑到不同时段GPS信号差异及地物遮挡因素，为保证获取最优的数据成果，需分4个测次分别对双向车道进行了单向的两次车载移动激光扫描测量。双向获取同一路段点云数据匹配精度优于1cm。
（2）采集得到的数据包括扫描车行驶POS轨迹、行驶车实时姿态数据、基站GPS数据、点云数据、景观影像数据和靶标数据。解算扫描车行驶姿态数据，联合基站GPS数据进行GPS差分处理，计算得到点云数据，加入靶标检测点数据，平差计算，提高点云精度，最后进行点云分类和成果整理。
（3）点云精度评价和点云数据提取。公路勘察设计对测量数据的精度提出了较高的要求，故采用靶标控制点对车载点云数据进行了平差和精度优化。经过某公路项目验证其中车载点云平面精度0.037m、高程精度0.014m。平差后的车载点云精度优于0.05/0.02m的技术要求，路面车载点云密度小于0.05m，通过人工提取路面特征点，其成果精度可满足0.05/0.02m的技术要求，符合下阶段勘察设计的需要。
（4）测量高速公路路面点。公路设计需求通过车载移动激光扫描测量技术，对高速公路老路进行测量，并每隔10m提取出一个断面数据，包括四条行车道实线以及两条超车道虚线共计全断面6个路面特征点，提供以上路面特征点的平面坐标和高程。
5.推广应用前景
此次车载激光雷达测量在不阻碍交通的情况下获取测区内的路面点数据，车载激光扫描系统配备两个激光扫描探头、两个数码相机，可同步采集公路沿线相关设施高精度的激光点云和数码照片，通过靶标点校正提高点云精度，提取高密度路面横断面数据，满足设计施工高精度的要求。而传统高速公路改扩建采用工程测量的方式，存在作业环境危险、劳动强度大、工作效率偏低、阻碍交通等多方面缺点，车载激光扫描系统开车作业，工作环境安全，劳动强度大幅度降低。高速的脉冲激光扫描仪获取大量的三维坐标信息，配备的数码相机可以获取与点云匹配的影像。采集的数据成果为电子数据格式，便于后续分析、成果共享，生产效率高、数据精细度高，信息提取更快捷，满足不同的需求，还可以快速生产制作数字高程模型（DEM）、数字线划图（DLG）、高速公路数字模型等产品。车载激光雷达测量路面数据具有良好的推广应用前景。 [科]
【参考文献】
[1]徐祖舰，王滋政，阳锋.机载激光雷达测量技术及工程应用实践[M].武汉：武汉大学出版社，2009.5.
[2]沈严，李磊，阮友田.车载激光测绘技术. 红外与激光工程，2009，38（3）：437-440.
[3]JTGC10-2007.公路勘测规范[S].
【关键词】车载激光扫描；公路改扩建
1.车载激光扫描系统
空间数据快速采集是基础测绘的关键技术， 在道路勘察测绘工程中，通常是以全野外的方式来获取，携带仪器上路施测，对每个横断面的道路中央隔离带、路面、路基边界等多个测量点位进行人工上路测量，对测量人员的人身安全构成了重大隐患，易酿成交通安全事故，由于需要测量人员进行大量地面作业，考虑到道路交通安全、测量人身安全以及测量周期，人力和物力成本较高，难以适应当前大规模增长的高速公路及城市路网改扩建需求。车载激光测量系统是以汽车为平台，搭载激光扫描测量系统，在汽车的行进过程中获取空间信息数据。车载激光测量依托我国稠密的公路网，能够覆盖绝大多数测绘区域，获取基础测绘信息。
车载激光测量作业主要分为基站架设、控制靶标布设、测区点云数据采集和内业数据处理几个部分。基站架设是利用测区已有的GPS控制点作为基站，联合车载激光扫描系统上面配备的GPS，作为后续的GPS解算之用。控制靶标布设是为了满足公路施工设计需要，原始的数据存在的误差无法消除，需要人工布设额外的控制靶标，用以后续的数据处理，提高原始点云数据精度。测区点云数据采集要求操作车载激光扫描测量车在测区内匀速的行驶，确保获取的点云数据的均匀性和稳定性。内业数据处理是对前面的基站数据、控制靶标数据和测区的点云数据进行综合处理，利用基站数据和测区的点云数据，解算得到原始的点云数据，配合控制靶标点坐标，纠正点云坐标，提高点云精度，并根据需要，对点云数据进行分类、提取。
2.测量精度控制
车载移动激光扫描测量及勘测工作分为外业车载扫描和内业数据处理两个方面。
考虑到不同时段GPS信号差异及地物遮挡因素，为保证获取最优的数据成果，分别对双向车道进行单向的两次测量；考虑到保证数据覆盖完整性要求，特选取行车道和应急车道分别作为行车路线。
由于该项目要求成果数据平面中误差不大于0.05m，高程中误差不大于0.02m，而车载设备采集的原始点云数据平面、高程精度均无法满足该要求，故需在道路面布设靶标控制点用于精度纠正。靶标控制点布设原則为单向间隔400m，双向交叉布设。即保证道路两侧每200m有一个靶标点，用于后期内业数据平面和高程精度平差改正。这些点作为靶标控制点，用于参与后续的点云精度校正计算来提高点云精度。
3.靶标布设
为了控制和检查车载激光扫描的精度，需要在道路的两侧布设一定数量的靶标点，其具体布设方案如下：
（1）可以采用道路沿线的特征地物点，如公路的急转弯点、路旁建筑物的四角、路灯底部、交通标识底部、立交边缘等，作为靶标。结合此次测量路况的实际情况，以普通砖头和白色喷漆相结合作为靶标。激光对白色喷漆的反射强度有比较明显的区别，同时，放置的砖头能在激光扫描的过程中形成比较良好的形态，并且约定俗成，在靶标后续的测量过程中，按行车方向的左上角作为测量点。通过这两者的组合，可以确保所布设的靶标控制点和检查点可以在点云中清晰而准确地识别，从而提高点云数据精度和提高作业效率。
（2）靶标均匀布设在高速公路每一边车道的两测，同侧间隔不得大于500m，两侧呈交叉布设。
（3）靶标的平面坐标采用GPS-RTK的方式进行测量，点位中误差不得大于0.03m。
（4）靶标的高程坐标采用水准方式进行测量，以控制点作为起算点，按四等水准的施测要求，构成附和水准路线。
4.点云数据采集及处理
（1）数据采集。数据采集主要包括基站数据、靶标数据以及公路点云数据。基站要求在扫描车开始工作前一个小时开机初始化，并于扫描车结束工作后延迟一个小时关机，设置的采样频率需与扫描车上车载GPS保持一致。靶标数据按照要求进行布设、测量。扫描车在路面上以匀速慢行，保证点云数据的均匀分布。每一次外业采集的数据都必须当天进行数据预处理和质量初步检查，对于不合格的数据，及时进行返工。在此次测量作业过程中，考虑到不同时段GPS信号差异及地物遮挡因素，为保证获取最优的数据成果，需分4个测次分别对双向车道进行了单向的两次车载移动激光扫描测量。双向获取同一路段点云数据匹配精度优于1cm。
（2）采集得到的数据包括扫描车行驶POS轨迹、行驶车实时姿态数据、基站GPS数据、点云数据、景观影像数据和靶标数据。解算扫描车行驶姿态数据，联合基站GPS数据进行GPS差分处理，计算得到点云数据，加入靶标检测点数据，平差计算，提高点云精度，最后进行点云分类和成果整理。
（3）点云精度评价和点云数据提取。公路勘察设计对测量数据的精度提出了较高的要求，故采用靶标控制点对车载点云数据进行了平差和精度优化。经过某公路项目验证其中车载点云平面精度0.037m、高程精度0.014m。平差后的车载点云精度优于0.05/0.02m的技术要求，路面车载点云密度小于0.05m，通过人工提取路面特征点，其成果精度可满足0.05/0.02m的技术要求，符合下阶段勘察设计的需要。
（4）测量高速公路路面点。公路设计需求通过车载移动激光扫描测量技术，对高速公路老路进行测量，并每隔10m提取出一个断面数据，包括四条行车道实线以及两条超车道虚线共计全断面6个路面特征点，提供以上路面特征点的平面坐标和高程。
5.推广应用前景
此次车载激光雷达测量在不阻碍交通的情况下获取测区内的路面点数据，车载激光扫描系统配备两个激光扫描探头、两个数码相机，可同步采集公路沿线相关设施高精度的激光点云和数码照片，通过靶标点校正提高点云精度，提取高密度路面横断面数据，满足设计施工高精度的要求。而传统高速公路改扩建采用工程测量的方式，存在作业环境危险、劳动强度大、工作效率偏低、阻碍交通等多方面缺点，车载激光扫描系统开车作业，工作环境安全，劳动强度大幅度降低。高速的脉冲激光扫描仪获取大量的三维坐标信息，配备的数码相机可以获取与点云匹配的影像。采集的数据成果为电子数据格式，便于后续分析、成果共享，生产效率高、数据精细度高，信息提取更快捷，满足不同的需求，还可以快速生产制作数字高程模型（DEM）、数字线划图（DLG）、高速公路数字模型等产品。车载激光雷达测量路面数据具有良好的推广应用前景。 [科]
【参考文献】
[1]徐祖舰，王滋政，阳锋.机载激光雷达测量技术及工程应用实践[M].武汉：武汉大学出版社，2009.5.
[2]沈严，李磊，阮友田.车载激光测绘技术. 红外与激光工程，2009，38（3）：437-440.
[3]JTGC10-2007.公路勘测规范[S].