機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)在山區(qū)公路項(xiàng)目中的應(yīng)用

龍 龍

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

機(jī)載激光雷達(dá)(LiDAR)是集激光掃描、全球定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)三種技術(shù)于一體的空間測量技術(shù)。它能夠快速準(zhǔn)確地直接獲取地表各類地物三維地理信息，快速制作大比例尺數(shù)字高程模型、三維地形模型等成果，與傳統(tǒng)測繪手段相比，具有作業(yè)成本低、產(chǎn)品制作周期短、產(chǎn)品類型豐富和三維建?？焖贉?zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，解決了其它測繪手段長期不能解決的難題，被測繪界認(rèn)為是繼全球定位系統(tǒng)之后的重大技術(shù)革命。

本溪至集安高速公路項(xiàng)目位于遼寧省東部山區(qū)，路線里程長度221.688km，項(xiàng)目區(qū)山高、林密，地面高程由109m漸變至860m，地面起伏較大，林地衛(wèi)星信號(hào)弱。普通測量方式滿足不了設(shè)計(jì)周期和測量精度要求，機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)的應(yīng)用，具有重要的實(shí)際意義。

1 測區(qū)概況及分區(qū)

根據(jù)測圖要求的比例尺及測區(qū)具體情況選擇航攝比例尺及航高，劃分航攝分區(qū)。航攝分區(qū)劃分時(shí)，要遵循以下原則[1]：

(1)按規(guī)范的規(guī)定和數(shù)字航攝儀性能劃分航攝分區(qū)，同一分區(qū)內(nèi)的景物特征應(yīng)基本一致。

(2)分區(qū)內(nèi)的地形高差一般不得大于四分之一相對(duì)航高(以分區(qū)的平均高度平面為基準(zhǔn)面的航高)。

(3)分區(qū)界線應(yīng)與圖廓線相一致。

(4)分區(qū)邊界覆蓋應(yīng)滿足分區(qū)間各自滿幅要求。

(5)分區(qū)攝影基準(zhǔn)面的高度：以分區(qū)內(nèi)具有代表性的高點(diǎn)平均高程和低點(diǎn)平均高程之和的二分之一求得。

(6)航線長度應(yīng)不大于60km，直線飛行時(shí)間不宜大于30min。

2 機(jī)載雷達(dá)數(shù)據(jù)預(yù)處理方案

機(jī)載LIDAR航攝獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要進(jìn)行姿態(tài)校正、噪聲點(diǎn)剔除、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、航帶拼接、系統(tǒng)差改正等預(yù)處理，生成滿足要求的點(diǎn)云成果數(shù)據(jù)[2]。

2.1 點(diǎn)云姿態(tài)校正、航帶拼接、系統(tǒng)差改正

完成機(jī)載LIDAR航測原始采集及航測原始數(shù)據(jù)解算、輸出后，由于設(shè)備誤差、觀測誤差等多方面誤差源影響，機(jī)載LIDAR航測原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度還不太理想，具體表現(xiàn)為航帶間、架次間航帶點(diǎn)云重疊處還存在大量的平面和高程錯(cuò)位現(xiàn)象。而系統(tǒng)總結(jié)分析機(jī)載LIDAR航測誤差規(guī)律和特點(diǎn)、構(gòu)建虛擬觀測方程、建立點(diǎn)云平差優(yōu)化的系統(tǒng)化工藝，是確保本項(xiàng)目數(shù)據(jù)成果精度和質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

本項(xiàng)目運(yùn)用了“單架次、單航帶、局部平差分級(jí)、分階段融合”的點(diǎn)云整體平差法，有效解決了眾多點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量難題，保障了點(diǎn)云精度和匹配效果。 “單架次、單航帶、局部平差分級(jí)、分階段融合”點(diǎn)云整體平差法的具體介紹如下[3]：

2.1.1機(jī)載點(diǎn)云誤差源分析

影響機(jī)載LIDAR測量點(diǎn)云精度的誤差來源很多，主要包括：GNSS定位誤差(x,y,z)、GNSS/INS組合定姿誤差(heading, roll, pitch)和激光測距的比率誤差(scale)。這些誤差源的表現(xiàn)特點(diǎn)如下：

(1)x、y、z為GNSS定位誤差參數(shù)，與眾多誤差源密切相關(guān)，在局部范圍內(nèi)具有一定的隨機(jī)性。

(2)heading、roll、pitch為GNSS軌跡線關(guān)于姿態(tài)定位的角度誤差，與航線飛行狀態(tài)直接相關(guān)，具有同一航線內(nèi)誤差恒定、航線間誤差差異較大的特點(diǎn)。

(3)scale為激光測距儀縮放誤差，與飛行時(shí)段測區(qū)的氣溫和氣壓等外界觀測條件相關(guān)，具有架次內(nèi)誤差恒定、架次間誤差差異較大的特點(diǎn)。

2.1.2機(jī)載點(diǎn)云整體平差方法

根據(jù)激光雷達(dá)測量原理，機(jī)載LIDAR測量點(diǎn)云坐標(biāo)解算公式如下：

假設(shè)P和Q為相鄰的激光點(diǎn)云條帶，內(nèi)插后的數(shù)字表面模型表達(dá)式如下：

則相鄰激光點(diǎn)云條帶的錯(cuò)位誤差公式如下：

d(X,Y,Z)=p(x,y,z)-q(x,y,z)參考以上公式，觀測變量d(X、Y、Z)可用變量s、h、r、p、x、y和z對(duì)應(yīng)的函數(shù)式表達(dá)：

=T(s,h,r,p,x,y,z)

其中：T(s,h,r,p,x,y,z)為P、Q條帶上點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)的數(shù)學(xué)表達(dá)式的簡寫。

(1)對(duì)于scale參數(shù)，采用單架次平差法，在同一架次內(nèi)建立關(guān)于scale的虛擬觀測方程：

(2)對(duì)heading、roll、pitch參數(shù)，采用單航線平差法，在航線間重疊區(qū)建立關(guān)于heading、roll、pitch的虛擬觀測方程：

(3)對(duì)x,y,z參數(shù)，采用局部平差法，以樣本區(qū)段為基礎(chǔ)分割數(shù)據(jù)建立局部分析區(qū)，在局部分析區(qū)內(nèi)建立關(guān)于x,y,z的虛擬觀測方程：

對(duì)于架次間相鄰條帶的錯(cuò)位問題，采用單航線平差法處理，從而實(shí)現(xiàn)大范圍測區(qū)的無縫拼接和精度優(yōu)化。

(4)在平差流程上，本方法遵循“先宏觀后細(xì)部”原則，按照單架次平差、單航線平差和局部平差法的先后順序采用分級(jí)平差思路進(jìn)行點(diǎn)云的分階段平差處理。

為保證點(diǎn)云平差達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，還需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行平差處理的迭代循環(huán)，通過設(shè)置一定精度的閾值終止循環(huán)，從而保證機(jī)載LIDAR測量點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度。最后通過地面控制測量，根據(jù)地面控制點(diǎn)修正點(diǎn)云精度，保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量滿足項(xiàng)目精度要求。

此外，考慮本項(xiàng)目總體實(shí)施進(jìn)度，我們采用分區(qū)外擴(kuò)接邊的方法，保證數(shù)據(jù)接邊良好的情況下，分批次提供成果數(shù)據(jù)。

2.1.3影像數(shù)據(jù)處理

原始影像通過解壓飛行采集影像數(shù)據(jù)，對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比度、色澤、亮度等各項(xiàng)處理調(diào)整，使之色差統(tǒng)一、色調(diào)柔和、自然。

2.1.4噪聲點(diǎn)剔除

通過設(shè)置宏命令剔除點(diǎn)云中存在的噪音點(diǎn)，以設(shè)置絕對(duì)高程的方法剔除較高與較低的點(diǎn)，生成的點(diǎn)云滿足后續(xù)生產(chǎn)的使用。

2.1.5坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

(1)平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

采用布爾薩轉(zhuǎn)換模型進(jìn)行測區(qū)平面工程坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，作業(yè)流程如下：

①收集測區(qū)同時(shí)具有WGS84大地坐標(biāo)和當(dāng)?shù)仄矫孀鴺?biāo)的坐標(biāo)點(diǎn)。

②要求轉(zhuǎn)換點(diǎn)在測區(qū)均勻分布，并包圍整個(gè)測區(qū)。

③采用布爾薩7參數(shù)模型計(jì)算坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換7個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)。

(2)高程坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

根據(jù)已有工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)采用TIN網(wǎng)方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)大地精化水準(zhǔn)模型的高精度模擬，技術(shù)要點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：

①TIN三角網(wǎng)的最大邊長應(yīng)控制在7km內(nèi)。

②要求TIN網(wǎng)能外包對(duì)應(yīng)測區(qū)范圍。水準(zhǔn)面的外推方法，精度不高，必須避免部分測區(qū)在TIN網(wǎng)外進(jìn)行高程變換。

③高程轉(zhuǎn)換點(diǎn)要求同時(shí)具有WGS84大地高和1985國家高程基準(zhǔn)高，高程轉(zhuǎn)換采用擬合方法，精度控制在5cm以內(nèi)。

3 測量數(shù)據(jù)分析

機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)首次在遼寧省高速公路建設(shè)項(xiàng)目中應(yīng)用，本項(xiàng)目中樁采用RTK放樣，進(jìn)行了數(shù)據(jù)校核，全線總計(jì)比對(duì)12253個(gè)中樁，見表1。其中：主線段總計(jì)比對(duì)8946個(gè)中樁，左線段總計(jì)比對(duì)3307個(gè)中樁。

表1 中樁測量數(shù)據(jù)離散統(tǒng)計(jì)表

其中小于等于0.2m的中樁為7406個(gè)(占比60.44%)，大于0.2m小于等于0.5m的中樁為3149個(gè)(占比25.70%)，大于0.5m小于等于1m的中樁為1124個(gè)(占比9.17%)，大于1m的中樁個(gè)數(shù)為574個(gè)(占比4.68%)。

4 結(jié)論

(1)全線60.44%中樁高程差小于0.2m，測量精度滿足新建項(xiàng)目需要。

(2)1∶2000地形圖相鄰等高線高程差為2m，2/3等高距為1.3m，本項(xiàng)目機(jī)載激光雷達(dá)測量數(shù)據(jù)95.32%滿足小于2/3等高距要求。

(3)測量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度要求高的部位需采用實(shí)測方式獲取測量資料，如鐵路、高等級(jí)路、樞紐立交及加寬改造工程采用RTK采點(diǎn)，與既有高速公路接線位置前后40m范圍及橋梁加寬部位采用水準(zhǔn)測量。

中樁及控制性測量采用實(shí)測，橫斷采用機(jī)載激光雷達(dá)測量數(shù)據(jù)變化趨勢技術(shù)，為公路建設(shè)項(xiàng)目測量提供了很好的思路。推薦在新建公路工程中廣泛應(yīng)用。