公路工程中機載激光雷達技術的應用探討

吳興禮

（廣東省交通規(guī)劃設計研究院集團股份有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

隨著國內交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，我國公路的建設規(guī)模不斷擴大。公路項目經常會遇到一些地形復雜的區(qū)域，為確保設計、施工等環(huán)節(jié)的順利開展，就要切實做好前期勘察、設計、測量等工作，進而為工程的順利開展提供可靠的依據[1]。以往的地形圖分析法無法對復雜的地形地勢進行精確有效的描繪，因此要加強對機載激光雷達技術的應用，從而提高測量工作的效率與精度。

1 機載激光雷達技術的應用要點分析

1.1 工作流程

在機載激光雷達技術的應用期間，需要結合工作要求在飛行器上合理安裝激光雷達以及全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（global navigation satellite system,GNSS）、慣性測量單元（inertial measurement unit,IMU）等。機載激光雷達系統(tǒng)能夠發(fā)射受控激光，在激光照射到相關的測量目標之后，便能夠得到擬測工程或路線的三維坐標信息。通過對坐標數據進行處理，就能將測量資料以及現場存在的植被、地表等信息進行分離，得到現場的數字地形、表面模型。圖1為激光雷達系統(tǒng)的工作流程。

圖1 激光雷達系統(tǒng)的工作流程

1.2 數據獲取

數據采集流程主要包括以下步驟：①選擇適宜的激光雷達系統(tǒng)。②選擇可行、合理的飛行平臺。③現場控制測量，在此期間要做好航線的合理規(guī)劃。實際應用期間，對于激光雷達系統(tǒng)、飛行平臺的選擇較為簡單。但是，如果測區(qū)內的地形相對復雜，就需要結合現場的實際情況做好控制測量、航線設計等工作，進而提高測量精度與效率。

在開展基礎控制測量工作期間，需要在沿線范圍內按5 km的間隔距離合理布設平面、高程控制點。為提高測量工作的精度，還應對公路兩側的實際情況進行分析，并按一定間隔距離合理設置平面、高程控制點。為提高平面控制點的識別效果與精度，應盡可能選用和路面標線保持一致的涂料進行涂繪等工作，將激光點云間隔距離作為設計過程的依據，并通過精確的計算之后進行確定。

在開展航線設計時，要將公路工程路面情況與精度要求作為參考依據，同時對選定的激光雷達系統(tǒng)進行分析，結合現場實際特點，合理確定現場激光點的布設位置與密度[2]。在開展工程現場的航線規(guī)劃時，還要采用高空與低空相結合的方式，做好現場的數據采集。其中，高空數據的采集應做好公路兩側范圍內影像的獲取工作，還要形成精度較高的地形圖，這就要求提高航線設計質量；低空數據則可以沿著公路中心線進行采集，這一過程對航線的設計基本沒有特殊要求。

1.3 數據處理

通過應用機載激光雷達掃描測量技術，可以直接獲取到現場的點云數據，這些數據有較高的精度、密度要求，如果不對其進行處理，則無法將其應用到實際的工程中[3]。因此，做好對已獲取數據的處理具有重要的意義。數據處理可以分為預處理、坐標轉換以及分類處理。數據經過預處理后便能得到大地高系統(tǒng)，但是公路工程所需要的是工程坐標系，因此應當對坐標進行轉換。除此之外，為提高數據的精度，應當對重點數據進行精細化處理。在這一過程中，首先需要借助基礎控制點對預處理之后的數據進行轉換，使之形成工程坐標系；再利用路面控制點，對點云數據中的平面、高程等數據進行轉換，如此一來，便可以得到滿足公路工程設計、施工的點云數據。數據處理流程如圖2所示。

圖2 數據處理流程

1.4 數據成果制作

通過應用機載激光雷達技術，不僅能夠獲取點云數據，同時還能提高數據的密度、精度[4]。應用數碼相機等先進采集設備，使所獲取的數字影像效果更好。借助該項技術對獲取的數據進行處理，能夠生成多種類型的數字化產品，如數字高程模型（digital elevation model,DEM）、數字正射影像圖（digital orthophoto map,DOM）、數字線劃地圖（digital line graphic,DLG）以及地面線等。①對數據進行分類處理，將地面點作為參考依據，進而提取末次回波所對應的相關點云數據。在此期間，還需要進行網格化處理、檢查以及粗差點的去除等工作，最終生成DEM。②通過應用IMU數據以及GPS解算成果，并對兩者進行聯合處理，就能獲得與航跡線相關的數據文件，再通過對外方位元素進行校正與處理，就可以將DEM和影像作為數據，進而生成DOM。③結合上述操作以及獲得的數據，對外業(yè)測繪資料進行分析，便能生成地面線與DLG。

1.5 應用優(yōu)勢分析

機載激光雷達技術作為一種新興的測繪技術，具有較多的優(yōu)勢：①相比以往的航空攝影測量和人工測量，機載激光雷達技術的應用效率更高。機載激光雷達技術作為一種主動式測量技術，在開展外業(yè)工作時，對自然條件的依賴性較低，不易受到現場天氣、山區(qū)地形等因素的影響，并且滿足全天候工作的要求。②隨著機載激光雷達技術的廣泛應用，相關的配套硬件、軟件設施更加完善，因而在開展內業(yè)、外業(yè)中的數據處理工作時速度更快、周期更短[5]。③機載激光雷達技術采集的信息數據精度更高。由于激光具有極高的方向指向性特征，使該技術具備很高的定位精度。④激光探測具有多次回波等方面的特性，當激光脈沖穿越現場的植被空隙時，能夠及時獲取樹冠、樹枝以及地面等多層高程數據。⑤成果更加豐富。通過外業(yè)、內業(yè)相結合的方式，既可以得到密度、精度要求較高的點云、影像數據，同時還能利用測繪數據生成數字表面模型（digital surface model,DSM）、DEM、DLG等。⑥應用該技術開展測繪工作的安全性更高。圖3為機載激光雷達技術的定位原理。

圖3 機載激光雷達技術的定位原理

2 案例分析

2.1 工程概況

某高速公路位于廣東省境內，公路線路全長77.2 km，由于線路沿線的地形以山地為主，且植被茂密，地形地貌相對復雜。在開展高速公路的設計和施工工作之前，需要對區(qū)域開展線路測量等工作。根據公路的實際情況，最終決定采用機載激光雷達技術開展空中掃描測繪。

2.2 實施方案研究

該公路工程的測量工作使用了載人飛機和激光雷達系統(tǒng)。首先，為了減少誤差，對整個測量范圍進行劃分，形成4個不同的飛行區(qū)域。其次，在線路的中間設立地面基站，解算機載位置姿態(tài)測量系統(tǒng)（position and orientation system,POS）數據。在本次工程測量工作中，總共飛行2個架次，實現了15條航線的飛行。其中，飛行的相對高度為1.5 km，掃描開角控制在45°，激光點旁向重疊度達到了50%以上，激光的發(fā)射頻率控制在300 kHz，掃描頻率控制在30 Hz，點云密度設計為4點/m2。

2.3 數據處理

2.3.1 預處理

在公路測量工作中使用機載激光雷達技術，生成的數據有原始點云數據、POS數據、GNSS數據等。在對點云數據進行預處理時，需要對機載POS數據進行解算，并檢查云精度、點云航帶匹配等情況。在開展數據處理工作期間，要對航帶間誤差進行有效的處理，確保同名點的三維坐標具有較高的一致性。首先，在進行POS數據的解算工作時，所應用的是POSPac軟件，其高程精度、平面精度應分別控制在5 cm、10 cm之內。其次，進行點云航帶平差匹配。采用束法區(qū)域網平差計算方式，在對采集的數據進行處理之后，各架次間、架次內的匹配精度應用在10 cm以內。最后就是點云精度檢查。在測量區(qū)域地面設立十字地表，應用實時動態(tài)載波相位差分技術的應用確定三維坐標。在此基礎上，通過與激光點云進行對比分析，就能明確激光點云精度。表1為點云精度統(tǒng)計。

表1 點云精度統(tǒng)計（高程） 單位：m

2.3.2 基準轉換

通過機載激光雷達技術獲得的數據采用的表示方式主要為WGS84坐標系，并采用墨卡爾投影，同時還應用到大地高系統(tǒng)。在本次測量工作中，通過對WGS84坐標系的激光點云進行轉換，得到2000國家大地坐標系，同時采用1985國家高程基準。

2.3.3 制作線路帶狀地形圖

在本次測量工作中，地形圖需滿足1:2000的精度要求，從而減少工程勘察設計所需要的時間。借助機載激光雷達技術繪制地形圖的操作要點如下：①采集測量區(qū)域范圍內的地面要素數據，尤其是POS數據、影像數據以及點云數據等。②在無外業(yè)相片控制點的條件下，開展影像糾正，同時做好空中三角測量等工作。在恢復立體像對時，能夠采集到相應的地面要素數據。③采集地貌和高程標記點，并借助南方CASS等軟件提取高程標記點，完成等高線的繪制。④獲取地形圖成果。在獲得地形、地貌、地面要素之后，通過內業(yè)編輯等處理工作，便能夠得到公路工程相關的地形圖[6]。

3 結語

本文主要對機載激光雷達技術的應用要點進行分析，并結合實際工程案例，對線路帶狀地形圖的制作進行了研究。現階段，在開展公路勘察和設計工作期間，要加強對機載激光雷達技術的應用，從而提高測量工作的效率與質量，促進公路事業(yè)的發(fā)展。