激光掃描技術(shù)在高速公路改擴(kuò)建中的應(yīng)用

李錦明

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510000）

1 引言

沈陽(yáng)至?？趪?guó)家高速公路茂名至湛江段(以下簡(jiǎn)稱“茂湛高速公路”)是國(guó)家7918 高速公路網(wǎng)中第二條南北縱線——沈陽(yáng)至?？诟咚俟分匾M成部分，自2005 年9 月建成通車(chē)以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通量快速增長(zhǎng)，通行量達(dá)到或接近高速公路所能適應(yīng)的通行能力，現(xiàn)有通行能力逐漸不能滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)交通運(yùn)輸?shù)男枨?。因此，開(kāi)展茂湛高速公路的改擴(kuò)建工作非常必要，且十分迫切。

茂湛高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目需對(duì)舊路的橋涵、原路面等進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量及調(diào)查，內(nèi)容繁雜；設(shè)計(jì)周期短，測(cè)量時(shí)間少，給項(xiàng)目各個(gè)階段的測(cè)量工作帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)手段采用GPS-RTK、精密水準(zhǔn)測(cè)量的方法，工作量大、效率低且存在重大施工安全風(fēng)險(xiǎn)，因此不適用于茂湛高速公路項(xiàng)目的改擴(kuò)建。激光掃描技術(shù)作為一種全新的數(shù)據(jù)獲取手段，具備數(shù)據(jù)采集快、自動(dòng)化程度高、安全性好等特點(diǎn)，能夠滿足高速公路改擴(kuò)建的要求。

2 激光掃描技術(shù)在道路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

機(jī)載LIDAR（Light Detection and Ranging）是激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，集成了GPS、IMU、激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等光譜成像設(shè)備。其中主動(dòng)傳感系統(tǒng)（激光掃描儀）利用返回的脈沖可以獲取探測(cè)目標(biāo)高分辨率的距離、坡度、粗糙度和反射率等信息，而被動(dòng)光電成像技術(shù)可獲取探測(cè)目標(biāo)的數(shù)字成像信息，經(jīng)過(guò)地面的信息處理而生成逐個(gè)地面采樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)，最后經(jīng)過(guò)綜合處理得到沿一定條帶的地面區(qū)域三維定位與成像結(jié)果。

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量精度取決于激光雷達(dá)的激光器的校對(duì)和標(biāo)定、飛機(jī)的飛行高度和速度、GPS/IMU 系統(tǒng)精度、激光器類型、斑點(diǎn)大小[1]。 機(jī)載激光測(cè)量系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 機(jī)載激光測(cè)量系統(tǒng)組成

三維激光掃描儀采集的數(shù)據(jù)，其表現(xiàn)形式是矩陣，并且每個(gè)矩陣單元獲取的是目標(biāo)結(jié)構(gòu)的表面三維點(diǎn)，矩陣單元值是三維點(diǎn)的坐標(biāo)值。三維激光掃描儀對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行掃描，獲取目標(biāo)結(jié)構(gòu)物上的空間點(diǎn)坐標(biāo)，多個(gè)目標(biāo)的點(diǎn)集合即“點(diǎn)云”（Point clouds）。三維激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)成果如圖2 所示，包括了目標(biāo)物體的三維坐標(biāo)（X，Y，Z） 、反射強(qiáng)度（intensity）、顏色（RGB）和影像信息等[2]。

圖2 雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果

2.1 數(shù)據(jù)獲取

項(xiàng)目實(shí)施前需要布設(shè)GPS 參考站，并做好設(shè)備檢查和系統(tǒng)測(cè)試工作。布設(shè)參考站要準(zhǔn)確測(cè)量站點(diǎn)坐標(biāo)，確定好參考站之間的距離；在檢校航線（如圖3 所示）工作中，AB、EF 為雙向?qū)︼w航線，而CD 則為平行飛行航線，布設(shè)檢校方案時(shí)需要將與相鄰航線重疊部分的范圍控制在30%～50%；根據(jù)公路勘察設(shè)計(jì)項(xiàng)目條帶狀的基本特征，進(jìn)行分區(qū)域攝影，確保同一航帶范圍內(nèi)的高差保持在一定范圍內(nèi)，確保點(diǎn)云的密度以及精度[3]。

圖3 檢校航線

2.2 數(shù)據(jù)處理

LIDAR 數(shù)據(jù)處理主要分為幾何地理定位和濾波分類兩大部分。

（1）軌跡線解算、點(diǎn)云解算配準(zhǔn)

主要進(jìn)行幾何定位處理，通過(guò)定位數(shù)據(jù)的差分處理，IMU 姿態(tài)確定、校正和配準(zhǔn)、坐標(biāo)變換等過(guò)程，結(jié)合LIDAR 數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)激光點(diǎn)的三維坐標(biāo)解算。

（2）激光點(diǎn)云精細(xì)分類

激光點(diǎn)云精細(xì)分類也就是濾波分類，對(duì)于公路項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，最重要的就是從紛雜的激光點(diǎn)云中分離出地面點(diǎn)，為公路設(shè)計(jì)人員提供準(zhǔn)確DEM。點(diǎn)云分類成果分為兩類，一為初步分類成果，即經(jīng)過(guò)預(yù)處理和成果精度的初步檢驗(yàn)，將噪聲點(diǎn)完全剔除，通過(guò)算法分類地面點(diǎn)，經(jīng)常用于方案研究階段、地形圖制作、快速正射影像制作和地形圖調(diào)繪等；二為精細(xì)分類成果，基于初步分類成果，編輯處理形成精細(xì)化點(diǎn)云模型，構(gòu)建規(guī)則合理的地面點(diǎn)云模型，能夠清晰描述溝坎處等地物特征形狀，可以真實(shí)表達(dá)測(cè)區(qū)地理信息，一般用于矢量繪圖、斷面提取、土石方計(jì)算、三維模型制作等[4]。

2.3 質(zhì)量檢查

質(zhì)量檢查主要為激光點(diǎn)云內(nèi)符合檢查和外符合檢查。激光點(diǎn)云內(nèi)符合檢查主要是檢查不同時(shí)間采集的統(tǒng)一區(qū)域的點(diǎn)云匹配是否滿足要求。外符合檢查就是通過(guò)野外實(shí)測(cè)一些控制點(diǎn)來(lái)檢查激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與實(shí)地是否匹配[4]。

2.4 應(yīng)用分析

快速、精確、高效地獲取項(xiàng)目激光掃描數(shù)據(jù)信息，滿足改擴(kuò)建公路施工圖設(shè)計(jì)精度要求，可替代傳統(tǒng)測(cè)量手段，保證作業(yè)安全。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)二次精化后可作為高速公路改擴(kuò)建的基礎(chǔ)資料，滿足了高速公路改擴(kuò)建路面施工圖設(shè)計(jì)的需要。

（1）能夠勘察設(shè)計(jì)不同階段線路區(qū)域中的DEM、影像圖以及相關(guān)的地形圖，同時(shí)利用LIDAR 系統(tǒng)獲取密度較高的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而有效生成DSM、精度較高的DEM 以及比例尺較大的地形圖，為前期公路勘察提供一定的參考數(shù)據(jù)。

（2）利用LIDAR 系統(tǒng)能夠?yàn)楣吩O(shè)計(jì)工作者提供更真實(shí)、更直觀的三維瀏覽場(chǎng)景，制作出真三維模型，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)道路設(shè)計(jì)的效果，有效獲取影像并建立模型，以便對(duì)周邊的高速公路和周?chē)匚镞M(jìn)行識(shí)別，從而直觀監(jiān)控高速公路和周?chē)h(huán)境。

（3）可以為規(guī)劃和擴(kuò)建工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。LIDAR系統(tǒng)具有的高程數(shù)據(jù)能夠?yàn)閿U(kuò)建和規(guī)劃工作提供相應(yīng)的三維數(shù)據(jù)，而且這些數(shù)據(jù)的密度較高，不需要內(nèi)插計(jì)算，即可直接獲取圖內(nèi)任何一點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程坐標(biāo)，且精度較高，以便后期公路規(guī)劃以及擴(kuò)建工作的開(kāi)展[5]。

3 激光掃描技術(shù)在茂湛高速公路改擴(kuò)建中的應(yīng)用

激光掃描技術(shù)可以在高速公路改擴(kuò)建工程中實(shí)現(xiàn)路面高精度數(shù)據(jù)精化改正，基于多源異構(gòu)融合數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度數(shù)字模型制作，還可以基于三維數(shù)據(jù)進(jìn)行工程關(guān)鍵要素/部分的精準(zhǔn)提取，建立高速公路測(cè)設(shè)工程的新模式。

3.1 基于激光掃描的改擴(kuò)建工程路面高精度數(shù)據(jù)精化改正

本項(xiàng)目采用激光雷達(dá)掃描的主動(dòng)測(cè)量方式進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，作業(yè)自動(dòng)化程度高，無(wú)需人工進(jìn)入快車(chē)道，能夠?qū)崿F(xiàn)不干擾正常交通流的既有道路信息采集，安全且高效。

為了獲取路中路面特征線的高精度高程數(shù)據(jù)，首先利用電子水準(zhǔn)儀沿路肩每隔100 米左右測(cè)量一個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)，并與水準(zhǔn)控制測(cè)量統(tǒng)一平差計(jì)算，得到精準(zhǔn)的水準(zhǔn)高程；劃定路中路面的范圍線，并從經(jīng)過(guò)首次精化后的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取道路路面范圍的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用水準(zhǔn)高程點(diǎn)對(duì)已有的路面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度二次改正。

二次改正后的激光點(diǎn)根據(jù)高速公路平縱面線型變化規(guī)律和高程變化的平順情況及數(shù)模高程變化進(jìn)行人工判別點(diǎn)云的正確性，并及時(shí)進(jìn)行修正；密集提取縱斷面，加上自動(dòng)化的人機(jī)可視化交互，根據(jù)高速公路路面縱斷面線型變化的規(guī)律，利用Excel 計(jì)算縱斷面相鄰高差進(jìn)行檢查，利用半自動(dòng)化人工干預(yù)剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，最終得到滿足要求的路面數(shù)據(jù)，經(jīng)抽檢，精度達(dá)到高程中誤差為0.014m，完全滿足高速公路改擴(kuò)建施工圖設(shè)計(jì)需要。

3.2 海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合的高精度精細(xì)數(shù)字高程模型制作

高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目的精細(xì)數(shù)字高程模型利用了電子水準(zhǔn)儀測(cè)量數(shù)據(jù)、高精度測(cè)量的GNSS-RTK 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、高精度測(cè)量的全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)、改正后的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、路面高精度二次精化的點(diǎn)云數(shù)據(jù)等多源多種數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)編程自動(dòng)化處理，按照精度高低次序進(jìn)行融合計(jì)算利用，進(jìn)而形成實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的點(diǎn)集及線集（實(shí)測(cè)的密集高程點(diǎn)、路邊、溝坎等）；然后，結(jié)合分離后的激光數(shù)據(jù)和二次改正后的高精度路面模型，通過(guò)一系列的運(yùn)算處理，經(jīng)過(guò)刪除、修正和融合形成最終的高精度精細(xì)數(shù)字高程模型。該模型的應(yīng)用不僅能夠滿足現(xiàn)階段的勘察設(shè)計(jì)需求，經(jīng)過(guò)一定的格式變換還可以直接進(jìn)行BIM 建模的應(yīng)用，為后續(xù)BIM 技術(shù)在施工過(guò)程中的應(yīng)用，如施工信息管理、BIM-4D 施工進(jìn)度管理等一系列BIM 應(yīng)用，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.3 高速公路改擴(kuò)建工程關(guān)鍵要素精準(zhǔn)提取

針對(duì)激光雷達(dá)技術(shù)的非接觸式主動(dòng)測(cè)量特點(diǎn)，利用其正射影像圖DOM 數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)邊線數(shù)據(jù)對(duì)道路中線進(jìn)行擬合并提?。煌瑫r(shí)對(duì)既有橋梁等結(jié)構(gòu)物的關(guān)鍵要素進(jìn)行高精度獲取，采用獨(dú)立的測(cè)量數(shù)據(jù)編碼對(duì)既有橋梁橋臺(tái)平面位置、臺(tái)前臺(tái)背、橋墩柱、墊石、橫梁、梁底高程等關(guān)鍵要素進(jìn)行單獨(dú)提取，在測(cè)量成果中獨(dú)立分層建模。該項(xiàng)技術(shù)能幫助不同專業(yè)的設(shè)計(jì)人員快速獲取各自所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，大大提高了與設(shè)計(jì)的協(xié)同作業(yè)效率。

3.4 建立高速公路自動(dòng)測(cè)設(shè)新模式

該項(xiàng)目在定測(cè)過(guò)程中最大程度減少了人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)了定測(cè)階段縱橫斷面測(cè)量的測(cè)設(shè)數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化作業(yè)模式。與傳統(tǒng)縱橫斷面方法相比，新的方法在作業(yè)流程中減少了人工干預(yù)，避免了全站儀通視困難等問(wèn)題，精度均勻可靠。在定測(cè)路線調(diào)整后，補(bǔ)測(cè)橫斷面過(guò)程效率極高，充分利用了項(xiàng)目前期的測(cè)量成果，避免了大量的重復(fù)測(cè)量。新方法施測(cè)過(guò)程靈活，避免了傳統(tǒng)方法必須等全部路線穩(wěn)定后方可實(shí)施的劣勢(shì)，可以靈活分段采取先測(cè)穩(wěn)定路段后測(cè)其他路段的方法，提高了公路測(cè)設(shè)的工作效率，既保證了作業(yè)人員安全，節(jié)省了工程建設(shè)成本，又為勘察設(shè)計(jì)工作爭(zhēng)取了大量時(shí)間。

4 結(jié)論

本項(xiàng)目采用的基于激光掃描技術(shù)的改擴(kuò)建工程路面高精度數(shù)據(jù)精化、基于北斗和激光掃描等海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合的高精度精細(xì)數(shù)字高程模型、高速公路改擴(kuò)建工程關(guān)鍵要素精準(zhǔn)提取技術(shù)，將測(cè)繪行業(yè)的多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合集成在公路勘測(cè)中。特別是激光雷達(dá)掃描技術(shù)在高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目中的應(yīng)用，極大縮短了項(xiàng)目整體建設(shè)周期，最大程度上保證了作業(yè)人員的安全，在保證質(zhì)量的前提下提高了工效，提升了社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，全數(shù)字化作業(yè)的同時(shí)減少了外業(yè)時(shí)間，減少了對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響[6]。