基于機載LiDAR技術(shù)的高速公路勘測方法研究

廉福綿 張 衡 吳學超 李 通

(1.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100088；2.山東省國土測繪院，山東 濟南 250103)

0 引言

機載激光雷達系統(tǒng)是一種集激光測距、全球定位系統(tǒng)(GPS)、慣性導航系統(tǒng)(INS)和CCD相機為一體的系統(tǒng)[1]。能夠同步獲取高精度的地面點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，且受天氣影響較小、數(shù)據(jù)獲取速度快、精度高、產(chǎn)品多樣化等特征，具有傳統(tǒng)攝影測量方法不可比擬的優(yōu)勢[2,3]，引起了測繪界研究的濃厚興趣。

傳統(tǒng)的高速公路測量方法主要是應用水準儀、全站儀、GPS等測量設(shè)備對路線的地形圖、道路的縱橫斷面、沿線的主要構(gòu)造物進行測量[4]，以獲取滿足設(shè)計需要的數(shù)據(jù)。利用這些傳統(tǒng)技術(shù)雖然也能夠滿足精度要求，但是其效率低，需要對路線進行重復測量，成本較高[5]。特別是在山區(qū)植被茂密的區(qū)域，利用傳統(tǒng)的方法根本無法測量。因此，本文結(jié)合新泰至臺兒莊高速(以下簡稱新臺高速)公路勘測項目，對基于機載LiDAR技術(shù)的高速公路勘測方法進行了深入研究，并對其可行性進行了驗證分析。

1 項目實施

新臺高速位于山東省中南部，起自棗莊—臨沂市界附近，經(jīng)山亭轉(zhuǎn)向東南穿劉嶺鐵礦，在棗莊市中區(qū)孟莊鎮(zhèn)設(shè)樞紐與棗木高速東延工程相聯(lián)，利用棗木高速東延工程至峨山樞紐，利用臨棗高速向西，在嶧城南互通和嶧城服務區(qū)間設(shè)樞紐向南新建，經(jīng)泥溝鎮(zhèn)西，在臺兒莊區(qū)馬蘭屯鎮(zhèn)附近接X107落地。線路全長59.096 km，分為南北兩段，北段長約33.380 km，地形以低山丘陵為主，南段長約25.507 km，地形以平原為主。由于項目工期緊，任務重，采用傳統(tǒng)的勘測方法根本無法滿足項目勘察設(shè)計的工期要求，結(jié)合項目實際情況，提出了采用機載LiDAR技術(shù)進行沿線航空掃描，獲取線路的點云和影像數(shù)據(jù)，生產(chǎn)制作線路地形圖及縱橫斷面等成果，提供設(shè)計使用。

項目使用運5載人飛機搭載加拿大Optech公司生產(chǎn)的ALTM OrionH300型機載激光雷達系統(tǒng)。在進行航空掃描時，將測區(qū)劃分為2個分區(qū)，在線路中間架設(shè)地面基站，用于解算機載POS數(shù)據(jù)。項目共飛行了2個架次，15條航線，飛行相對高度1 200 m，掃描開角為全角45°，激光點旁向重疊度不低于50%，激光發(fā)射頻率300 kHz，激光發(fā)射頭掃描頻率30 Hz，點云密度4點/m2，每個架次設(shè)計一條構(gòu)架航線，航高保持一致。項目實施基本流程如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)預處理

機載激光雷達航空掃描數(shù)據(jù)包括原始點云數(shù)據(jù)、機載POS數(shù)據(jù)、地面基站GPS數(shù)據(jù)及影像數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)預處理工作包括機載POS數(shù)據(jù)解算、點云航帶匹配、點云精度檢查等。經(jīng)處理后，用RTK檢測點云精度情況如表1所示。

表1 點云精度統(tǒng)計表 m

2.2 基準轉(zhuǎn)換

機載LiDAR獲取的數(shù)據(jù)采用的是WGS84坐標系，高程采用的是大地高系統(tǒng)。本項目采用的是1980西安坐標系，正常高，所以要利用測區(qū)內(nèi)分布均的首級控制點運用布爾沙模型計算出七參數(shù)[7]，將點云數(shù)據(jù)的坐標換到1980西安坐標系。

其中，ΔX0,ΔY0,ΔZ0為3個平移參數(shù)；εX,εY,εZ為3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)；m為尺度變化參數(shù)。

高程擬合利用沿線的首級控制點計算出其高程異常值，采用解析內(nèi)插與三次樣條函數(shù)[8]法將點云高程由大地高轉(zhuǎn)換為正常高，得到工程坐標系下的點云成果。

2.3 點云濾波處理及DEM構(gòu)建

機載LiDAR能夠獲取豐富的地面三維信息數(shù)據(jù)，包括地面植被、人工建筑物等，所以需要將點云進行濾波處理，濾除非地面點數(shù)據(jù)，得到地面點數(shù)據(jù)成果，并構(gòu)建DEM[9]，作為設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并用于制作線路的DOM,DLG及縱橫斷面。利用點云數(shù)據(jù)制作的數(shù)字高程模型如圖2所示。

2.4 道路斷面提取

斷面成果是道路設(shè)計最重要的成果之一，經(jīng)處理后的點云數(shù)據(jù)和DEM成果，設(shè)計人員可以直接導入到緯地等道路設(shè)計軟件中，用于自動提取線路的縱橫斷面?；诟呙芏鹊狞c云數(shù)據(jù)成果，設(shè)計人員可以任意提取縱橫斷面，這也是機載LiDAR的一個巨大優(yōu)勢。提取的斷面圖如圖3所示。

2.5 線路帶狀地形圖制作

機載LiDAR技術(shù)能夠同時獲取三維點云和影像數(shù)據(jù)，在地形圖的測繪與制作中有巨大的優(yōu)勢，本項目利用LiDAR數(shù)據(jù)在無外業(yè)像控點的情況下快速制作線路帶狀地形圖，達到了1∶2 000地形圖的精度要求，大大節(jié)省了勘測設(shè)計成本和時間。利用LiDAR數(shù)據(jù)制作地形圖的工作包括：

1)地物要素數(shù)據(jù)的采集。利用LiDAR系統(tǒng)獲取的影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)和相機文件數(shù)據(jù)及點云數(shù)據(jù)在無外業(yè)像片控制點的情況下進行影像糾正和空中三角測量，恢復立體像對，快速采集地物要素數(shù)據(jù)。

2)地貌和高程注記點的采集。利用Terrasolid和南方CASS軟件在地面點云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上自動提取高程注記點并生成等高線，改變了傳統(tǒng)攝影測量依靠立體測圖采集高程點和等高線的模式。

3)地形圖成果生成。將地物要素和地貌要素的綜合處理，經(jīng)過內(nèi)業(yè)編輯整飾即可得到帶狀地形圖成果。

3 成果精度分析

為了驗證機載LiDAR技術(shù)在山區(qū)高速公路勘測中的可行性，對地形圖精度和橫斷面精度進行了檢查。

1)地形圖精度的檢查。利用GPS RTK的方法在道路交叉口處、房屋角點均勻采集了647個平面點，在硬化地面、農(nóng)田等處均勻采集了1 151個高程點，對地形圖的平面和高程精度分別進行計算分析，誤差統(tǒng)計表如表2，表3所示。

表2 平面誤差統(tǒng)計

表3 高程誤差統(tǒng)計

2)斷面精度檢查。利用RTK測量結(jié)合水準測量的方式在道路沿線每隔2 km采集一條橫斷面，并與激光點云提取的橫斷面數(shù)據(jù)進行對比，如圖4所示，列出了點云斷面和實測斷面的對比圖，其中最大的點高差為15.3 cm，中誤差為9.2 cm，表明機載LiDAR的橫斷面測量精度完全能夠滿足高速公路勘測設(shè)計的精度要求。

根據(jù)規(guī)范要求，山地1∶2 000地形圖平面位置中誤差為1.6 m，高程中誤差為1.2 m，以2倍中誤差為限差。經(jīng)過外業(yè)檢查分析，利用機載LiDAR技術(shù)無像控點制作的地形圖平面和高程精度均優(yōu)于規(guī)范對1∶2 000地形圖的精度要求，數(shù)字高程模型和斷面的精度也遠高于規(guī)范要求，完全能夠滿足高速公路勘測設(shè)計的需要。

4 總結(jié)與展望

機載LiDAR系統(tǒng)能夠同時獲取高精度、高密度的點云數(shù)據(jù)和高分辨率的影像數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過簡單處理即能夠獲取高精度的地面點云成果、數(shù)字高程模型成果以及數(shù)字線劃圖成果，本文結(jié)合新臺高速公路勘測項目，對基于機載LiDAR數(shù)據(jù)制作數(shù)字高程模型、數(shù)字線劃圖、道路斷面提取等進行了深入研究，經(jīng)過驗證其成果能夠滿足高速公路勘測設(shè)計的精度要求，提高了高速公路勘測設(shè)計效率，縮短了勘測周期。并得出以下結(jié)論：

1)機載LiDAR技術(shù)在制作高速公路帶狀地形圖時，可以在無像控點的條件下，利用POS數(shù)據(jù)和點云數(shù)據(jù)對影像進行糾正，能夠滿足1∶2 000地形圖的精度要求。

2)機載LiDAR技術(shù)獲取的點云數(shù)據(jù)精度較高，能夠用于高速公路的勘測設(shè)計。

3)機載LiDAR技術(shù)與其他測量手段相比，精度高，速度快，點云覆蓋全面，非常適用于高速公路勘測項目。

隨著機載LiDAR技術(shù)的進一步成熟，必將成為以后高速公路勘測設(shè)計的主流手段，對于推動高速公路勘測設(shè)計手段的進步和測繪新技術(shù)的廣泛應用有重要意義。

[1] 謝向進，黃紀晨.LiDAR測量技術(shù)在公路測設(shè)中的應用分析[J].測繪與空間地理信息，2013(6)：92-95.

[2] 王 煒.利用機載LiDAR測繪大比例尺數(shù)字地形圖的精度分析[J].測繪通報，2012(6)：34-36.

[3] 郭向前，郝偉濤，李 響.基于機載LiDAR技術(shù)的研究及其展望[J].測繪與空間地理信息，2013(2)：69-72.

[4] 李青岳，陳永奇.工程測量學[M].第3版.北京：測繪出版社，2008：30-50.

[5] 黃文元，黨建軍，黃愛華.我國公路改擴建工程勘測方法比較分析[J].公路，2011(3)：83-86.

[6] XU Bin，LI Yingcheng,LIU Xiaolong,et al.The Application of Bundle Block Adjustment with Constraint Conditions in Platform Clibration of Four-Head Aerial Digital Camera[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2014,43(1):66-73.

[7] 孔祥元，郭際明，劉宗泉.大地測量學基礎(chǔ)[M].武漢：武漢大學出版社，2010.

[8] 楊 穎，朱 磊，張 省，等.直升機載LiDAR測量技術(shù)在高速公路改擴建勘測中的應用[J].地理信息世界，2015，22(5)：104-107.

[9] 靳克強，龔志輝，王 勃，等.機載激光雷達數(shù)據(jù)提取DEM的關(guān)鍵技術(shù)分析[J].測繪工程，2010(6)：39-42.

[10] 張小紅.機載激光雷達測量技術(shù)理論方法[M].武漢：武漢大學出版社，2007.