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【摘要】车载LiDAR技术是当前市政道路测量中新兴的一种测量技术，对于市政道路测量工作效率的提高有着重要意义，但在实际使用当中，其测量的三维精度上存在一定不足。本文就对车载LiDAR技术的测量原理和流程以及影响测量三维精度的因素进行了分析，并提出了控制测量三维精度的措施，为市政道路测量中车载LiDAR技术的应用提供参考。
【关键词】车载LiDAR技术；市政道路测量；三维精度；控制措施
LiDAR技术即激光探测测距系统，也被称为激光雷达，其概念兴起于上世纪60年代中期，车载LiDAR技术就是以车辆为承载平台，集合数码相机、GPS接收机和IMU等多种硬件设备，在数据采集速度和精度上都有所提高，对于市政道路测量有着重要作用，但是受测量精度问题影响，在实际应用中依然无法推广。
一、车载LiDAR技术测量原理和测量流程
（一）车载LiDAR技术测量原理
车载LiDAR技术的系统构成主要包括CCD数码相机、激光扫描仪、高精度IMU、GPS接收机、控制系统、升降平台等，其对数据的获取是利用三维激光移动扫描实现的，然后将数据传输到笔记本中进行处理。
在车载LiDAR系统中，各个构成模块之间通过机械结构连接在仪器，在测量过程中为保证测量时间的同步性，通常以GPS时间为测量的时间顺序，被测点的坐标主要是利用组合导航和各个构成模块间的相互关系来分析得到。
在实际测量工作当中，车载LiDAR系统的姿态与位置数据，是借助激光扫描获取的，其扫描光束围绕旋转轴进行旋转，旋转方向为顺时针，扫描的数据经过处理后，即为瞬时扫描坐标系中的坐标，然后通过与激光扫描设备相连接的接收机、车载平台的单机检校和系统检校，得到激光扫描坐标系与IMU、GPS三者的姿态和位置数据[1]。
（二）车载LiDAR技术测量流程
首先，结合被测区域的实际情况和车载LiDAR技术的基本要求，选取合适的控制点，并对控制点进行观测，确认其周边是否有阻碍物；然后通过车载LiDAR系统对控制点进行数据采集，并将采集后的数据进行处理；再次，将处理后得到的控制点数据展绘到点云中，即得到被测点的三维数据。
二、市政道路测量中影响车载LiDAR技术三维精度的相关因素
在市政道路的测量中，车载LiDAR技术测量的数据三维精度主要会受以下几方面的影响：一是IMU、GPS测量精度及组合导航精度，其中，前两者主要取决于传感器的精度值情况；二是扫描仪设备的精度，是有仪器本身的测量距离、测量角度和锥扫角共同决定的；三是传感器彼此空间关系因素，主要是指系统检校的精准度。
（一） GPS测量精度纠正方法
在车载LiDAR系统中，由于是随着车辆行驶来进行数据采集的，在行驶过程中，城市环境的不断变化总免不了GPS信号失锁问题的发生。
为避免此问题，在车载LiDAR系统已经通过GPS、IMU组成的导航传感器以及提高设备精度方式来避免。然而，在市政道路的实际测量工作中，车辆行驶过程中周边环境是不断变化的，当遇到大型建筑物、过街天桥等情况时，会发生GPS信号短时间内失锁问题，影响到测量数据的连续性，进而影响测量精度。
针对LiDAR系统车辆载体被周边环境中物体遮挡引起的数据信号中断、动态误差和IMU误差积累等问题，通过GPS、IMU组合导航方法，能够在一定程度上消除这种误差，但无法全部抵消，对此，可以通过在GPS系统中加入已知位置数据进行纠正。根据卡尔曼滤波原理，车载LiDAR系统在GPS信号失锁时，就会失去此段过程中的GPS数据，进而影响到对下一位置数据的预测，通过引入已知位置数据的方法，即使在没有GPS数据的情况下，也可以对预测精度进行一定控制，从而提高预测精度[2]。
（二） 激光扫描仪、传感器空间关系测量精度纠正方法
车载LiDAR系统的传感器是刚性绑定的，其与载体之间关系是固定的，因此，为保证传感器测量精度不会受彼此间空间关系干扰，需要在实际使用前进行综合校验，主要校验内容包括：激光扫描仪测角、测距精度、以及测量锥扫角的大小以及各传感器之间相对位置关系。
三、车载LiDAR技术在市政道路测量三维精度控制措施
从上述可知，车载LiDAR技术测量三维精度的影响因素主要是GPS失锁和系统本身精度两个方面，对此，要提高测量三维精度，可以从以下两方面进行控制：
（一）提高车载LiDAR失锁状态下的测量精度
为提高失锁状态测量精度，本文采取了在车载LiDAR系统中加入里程计的措施，在系统测量中发生会GPS信号失锁时，里程计的测量数据会起到辅佐导航作用，进而确保系统测量数据的精准度，但是，在使用此方法时，需要注意以下两点：
第一，里程计要具有较高的精度。里程计的精度在GPS信号失锁的时间段内，是影响最终导航精度的直接因素，只有确保里程计设备的精度值，才能最大程度的减小失锁引起的精度误差。
第二，里程计设备要与IMU和GPS靠近，使此三者共同构成统一的刚性单元，避免发生非必要的集成测量误差。
（二）添加一定量的特征控制点
首先，设计与选取控制点。在设计控制点时，要保证控制点容易被识别和观测，以便于能够在点云中快速找出控制点；同时，为了避免大量的外业工作，还可以通过市政道路中已有的地面交通标志，比如道路直行箭头、紧急停车带中的箭头等，将其设为特征控制点[3]。
其次，对测量的三维精度进行修正。参照坐标映射的基本原理，将控制点的相关信息录入到点云数据库中，并结合实际对控制点信息进行确认，再根据车载LiDAR技术点云数据中的GPS时间线，采取线性内差改正的方法处理两个相邻时刻内的三维数据，从而得到精度更高的测量三维数据。在选择控制点时，彼此之间的距离以500-1000米之间为宜，且不能沿同一直线布置，应当采取道路两边交叉选取的方式，在具体跨度上，可以根据被测区域的GPS信号来进行确定。
结语：
车载LiDAR技术作为一种新兴的测量技术，其便捷性、高效性对于市政道路测量工作的开展有着重要作用，但是针对目前实际使用中三维精度容易受到影响的问题，还需要采取合理的措施来进行控制，以促进车载LiDAR技术在市政道路测量中的使用。
参考文献：
[1]杨伯钢，韩友美.车载移动激光扫描技术大比例尺测图技术分析[J].测绘科学，2013，01：106-108+15.
[2]韩友美，杨伯钢.车载LiDAR技术市政道路测量高程精度控制[J].测绘通报，2013，08：18-21+35.
[3]李永强，王文越，郑艳慧，曹鸿，孙鹏，杨莎莎.基于车载LiDAR数据的道路边界精细提取[J].河南理工大学学报（自然科学版），2014，04：458-462.
【关键词】车载LiDAR技术；市政道路测量；三维精度；控制措施
LiDAR技术即激光探测测距系统，也被称为激光雷达，其概念兴起于上世纪60年代中期，车载LiDAR技术就是以车辆为承载平台，集合数码相机、GPS接收机和IMU等多种硬件设备，在数据采集速度和精度上都有所提高，对于市政道路测量有着重要作用，但是受测量精度问题影响，在实际应用中依然无法推广。
一、车载LiDAR技术测量原理和测量流程
（一）车载LiDAR技术测量原理
车载LiDAR技术的系统构成主要包括CCD数码相机、激光扫描仪、高精度IMU、GPS接收机、控制系统、升降平台等，其对数据的获取是利用三维激光移动扫描实现的，然后将数据传输到笔记本中进行处理。
在车载LiDAR系统中，各个构成模块之间通过机械结构连接在仪器，在测量过程中为保证测量时间的同步性，通常以GPS时间为测量的时间顺序，被测点的坐标主要是利用组合导航和各个构成模块间的相互关系来分析得到。
在实际测量工作当中，车载LiDAR系统的姿态与位置数据，是借助激光扫描获取的，其扫描光束围绕旋转轴进行旋转，旋转方向为顺时针，扫描的数据经过处理后，即为瞬时扫描坐标系中的坐标，然后通过与激光扫描设备相连接的接收机、车载平台的单机检校和系统检校，得到激光扫描坐标系与IMU、GPS三者的姿态和位置数据[1]。
（二）车载LiDAR技术测量流程
首先，结合被测区域的实际情况和车载LiDAR技术的基本要求，选取合适的控制点，并对控制点进行观测，确认其周边是否有阻碍物；然后通过车载LiDAR系统对控制点进行数据采集，并将采集后的数据进行处理；再次，将处理后得到的控制点数据展绘到点云中，即得到被测点的三维数据。
二、市政道路测量中影响车载LiDAR技术三维精度的相关因素
在市政道路的测量中，车载LiDAR技术测量的数据三维精度主要会受以下几方面的影响：一是IMU、GPS测量精度及组合导航精度，其中，前两者主要取决于传感器的精度值情况；二是扫描仪设备的精度，是有仪器本身的测量距离、测量角度和锥扫角共同决定的；三是传感器彼此空间关系因素，主要是指系统检校的精准度。
（一） GPS测量精度纠正方法
在车载LiDAR系统中，由于是随着车辆行驶来进行数据采集的，在行驶过程中，城市环境的不断变化总免不了GPS信号失锁问题的发生。
为避免此问题，在车载LiDAR系统已经通过GPS、IMU组成的导航传感器以及提高设备精度方式来避免。然而，在市政道路的实际测量工作中，车辆行驶过程中周边环境是不断变化的，当遇到大型建筑物、过街天桥等情况时，会发生GPS信号短时间内失锁问题，影响到测量数据的连续性，进而影响测量精度。
针对LiDAR系统车辆载体被周边环境中物体遮挡引起的数据信号中断、动态误差和IMU误差积累等问题，通过GPS、IMU组合导航方法，能够在一定程度上消除这种误差，但无法全部抵消，对此，可以通过在GPS系统中加入已知位置数据进行纠正。根据卡尔曼滤波原理，车载LiDAR系统在GPS信号失锁时，就会失去此段过程中的GPS数据，进而影响到对下一位置数据的预测，通过引入已知位置数据的方法，即使在没有GPS数据的情况下，也可以对预测精度进行一定控制，从而提高预测精度[2]。
（二） 激光扫描仪、传感器空间关系测量精度纠正方法
车载LiDAR系统的传感器是刚性绑定的，其与载体之间关系是固定的，因此，为保证传感器测量精度不会受彼此间空间关系干扰，需要在实际使用前进行综合校验，主要校验内容包括：激光扫描仪测角、测距精度、以及测量锥扫角的大小以及各传感器之间相对位置关系。
三、车载LiDAR技术在市政道路测量三维精度控制措施
从上述可知，车载LiDAR技术测量三维精度的影响因素主要是GPS失锁和系统本身精度两个方面，对此，要提高测量三维精度，可以从以下两方面进行控制：
（一）提高车载LiDAR失锁状态下的测量精度
为提高失锁状态测量精度，本文采取了在车载LiDAR系统中加入里程计的措施，在系统测量中发生会GPS信号失锁时，里程计的测量数据会起到辅佐导航作用，进而确保系统测量数据的精准度，但是，在使用此方法时，需要注意以下两点：
第一，里程计要具有较高的精度。里程计的精度在GPS信号失锁的时间段内，是影响最终导航精度的直接因素，只有确保里程计设备的精度值，才能最大程度的减小失锁引起的精度误差。
第二，里程计设备要与IMU和GPS靠近，使此三者共同构成统一的刚性单元，避免发生非必要的集成测量误差。
（二）添加一定量的特征控制点
首先，设计与选取控制点。在设计控制点时，要保证控制点容易被识别和观测，以便于能够在点云中快速找出控制点；同时，为了避免大量的外业工作，还可以通过市政道路中已有的地面交通标志，比如道路直行箭头、紧急停车带中的箭头等，将其设为特征控制点[3]。
其次，对测量的三维精度进行修正。参照坐标映射的基本原理，将控制点的相关信息录入到点云数据库中，并结合实际对控制点信息进行确认，再根据车载LiDAR技术点云数据中的GPS时间线，采取线性内差改正的方法处理两个相邻时刻内的三维数据，从而得到精度更高的测量三维数据。在选择控制点时，彼此之间的距离以500-1000米之间为宜，且不能沿同一直线布置，应当采取道路两边交叉选取的方式，在具体跨度上，可以根据被测区域的GPS信号来进行确定。
结语：
车载LiDAR技术作为一种新兴的测量技术，其便捷性、高效性对于市政道路测量工作的开展有着重要作用，但是针对目前实际使用中三维精度容易受到影响的问题，还需要采取合理的措施来进行控制，以促进车载LiDAR技术在市政道路测量中的使用。
参考文献：
[1]杨伯钢，韩友美.车载移动激光扫描技术大比例尺测图技术分析[J].测绘科学，2013，01：106-108+15.
[2]韩友美，杨伯钢.车载LiDAR技术市政道路测量高程精度控制[J].测绘通报，2013，08：18-21+35.
[3]李永强，王文越，郑艳慧，曹鸿，孙鹏，杨莎莎.基于车载LiDAR数据的道路边界精细提取[J].河南理工大学学报（自然科学版），2014，04：458-462.