無(wú)人機(jī)載LiDAR在山林地區(qū)公路定測(cè)中的應(yīng)用研究

呂康廷

（中科路恒工程設(shè)計(jì)有限公司）

1 概述

公路設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行線路選線及工程量預(yù)算時(shí)，必須綜合使用縱橫斷面測(cè)繪成果，進(jìn)行公路縱向坡度、路面標(biāo)高、橋臺(tái)位置以及隧道進(jìn)出口位置的設(shè)計(jì)。當(dāng)前，道路縱橫斷面的測(cè)量仍使用傳統(tǒng)的全站儀、GPS-RTK測(cè)量技術(shù)，傳統(tǒng)的測(cè)量方式雖然在精度上能夠得到保證，但是測(cè)量效率較低，在一些測(cè)量員無(wú)法到達(dá)的復(fù)雜地形區(qū)域，測(cè)量的縱橫斷面數(shù)據(jù)量無(wú)法滿足設(shè)計(jì)人員的需求，有些工程的測(cè)區(qū)地表植被覆蓋密集，有時(shí)使用GPS-RTK測(cè)量技術(shù)無(wú)法達(dá)到固定解，測(cè)量精度也無(wú)法保證。新興的車載三維激光掃描系統(tǒng)因集成了GPS、IMU、全景相機(jī)等多種傳感器，具有采集效率高、精度高、全方位等優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)正射影像因房屋、樹(shù)木遮擋等引起的數(shù)據(jù)無(wú)法正確提取的難點(diǎn)[1]，也可用于縱橫斷面測(cè)量，但在山區(qū)車輛不具備通行條件時(shí)，斷面測(cè)量受到制約。近幾年，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)載LiDAR測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于DEM生產(chǎn)中。

機(jī)載激光雷達(dá)（light detection and ranging，Li-DAR）技術(shù)結(jié)合了全球定位系統(tǒng)、激光掃描儀、慣導(dǎo)系統(tǒng)，是一種主動(dòng)式遙感系統(tǒng)，發(fā)射的激光脈沖信號(hào)能穿透大部分植被，能夠快速高效地獲取高精度地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)[2]。目前，該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于高壓輸電線路巡檢、水利水電勘測(cè)、道路設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃等領(lǐng)域[3]。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)機(jī)載LiDAR測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了研究，鄭倫英提出一種改進(jìn)的算法研究了機(jī)載LiDAR技術(shù)在復(fù)雜地形鐵路定測(cè)階段的應(yīng)用[4]；鄒正針對(duì)不同機(jī)載LiDAR點(diǎn)云濾波算法進(jìn)行對(duì)比分析[5]機(jī)載LiDAR因價(jià)格昂貴，一直無(wú)法在國(guó)內(nèi)實(shí)際生產(chǎn)中普及應(yīng)用?；谇叭搜芯?，本文以山西省某沿黃旅游公路設(shè)計(jì)項(xiàng)目為例，采用價(jià)格稍低的國(guó)產(chǎn)激光雷達(dá)，闡述采用機(jī)載LiDAR測(cè)量技術(shù)生產(chǎn)道路縱橫斷面的技術(shù)流程，將LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)與GPSRTK實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，論證價(jià)格較低的機(jī)載LiDAR測(cè)量技術(shù)在公路工程勘測(cè)中的可行性。

2 數(shù)據(jù)獲取技術(shù)流程

2.1 項(xiàng)目背景

某新建沿黃旅游公路全長(zhǎng)約8km，需測(cè)量線路縱橫斷面。線路所在測(cè)區(qū)位于東經(jīng)110°38′～110°42′北緯37°15′～37°18′，沿線經(jīng)過(guò)村鎮(zhèn)和山區(qū)密林地區(qū)，線路部分段落途經(jīng)懸崖峭壁，坡度大于45°，沿線設(shè)計(jì)大橋處需測(cè)河谷斷面，測(cè)量員無(wú)法步行到達(dá)，開(kāi)展野外實(shí)測(cè)困難，鑒于此，采用無(wú)人機(jī)載LiDAR測(cè)量并結(jié)合GPS-RTK測(cè)量獲取線路縱橫斷面數(shù)據(jù)。

2.2 設(shè)備方案

機(jī)載LiDAR測(cè)量系統(tǒng)采用經(jīng)緯M300搭配DJI LI激光雷達(dá)。DJI L1集成框幅式設(shè)計(jì)Livox激光雷達(dá)模塊、高精度慣導(dǎo)、2000萬(wàn)像素測(cè)繪相機(jī)、三軸云臺(tái)等模塊，最高支持三次回波，可生產(chǎn)真彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)由激光雷達(dá)主動(dòng)發(fā)射電磁波測(cè)量距離來(lái)計(jì)算點(diǎn)位的坐標(biāo)信息，無(wú)法識(shí)別出地物的屬性信息，激光雷達(dá)在水體和茂密植被區(qū)域的穿透能力不足，無(wú)法獲取到足夠密度的點(diǎn)云滿足生產(chǎn)的需求。以往進(jìn)行機(jī)載LiDAR作業(yè)時(shí)需要參考DOM來(lái)協(xié)助測(cè)量員識(shí)別地物信息，而真彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)在這一方面就體現(xiàn)出了極大的優(yōu)越性。地面站采用大疆D-RTK2基準(zhǔn)站，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理使用大疆智圖、Terrasolid。

2.3 技術(shù)路線

航飛前采用GPS技術(shù)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行控制測(cè)量，獲取測(cè)區(qū)WGS-84坐標(biāo)與國(guó)家2000坐標(biāo)系1985國(guó)家高程基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換7參數(shù)。在地圖數(shù)據(jù)網(wǎng)站下載測(cè)區(qū)12.5m DEM模型作為進(jìn)行仿地飛行航線規(guī)劃的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)地形變化較大的區(qū)域可進(jìn)行航點(diǎn)飛行規(guī)劃。針對(duì)地形起伏較大，溝壑縱橫，對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行安全檢查試飛合格后，采用航高100m對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行仿地飛行掃描得到激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。原始點(diǎn)云經(jīng)大疆智圖軟件進(jìn)行POS解算、航帶拼接、點(diǎn)云與可見(jiàn)光數(shù)據(jù)融合輸出標(biāo)準(zhǔn)格式LAS數(shù)據(jù)文件合計(jì)2.17億個(gè)點(diǎn)（見(jiàn)圖1）。

圖1 真彩色點(diǎn)云

采用Terrasolid軟件進(jìn)行點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，根據(jù)地形特點(diǎn)反復(fù)試驗(yàn)，選擇合理的算法及適合的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類，再加上人工分類提取得到地面點(diǎn)1100萬(wàn)個(gè)。為檢查機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度，外業(yè)采用GPS-RTK技術(shù)對(duì)線路進(jìn)行縱橫斷面測(cè)量，將濾波得到的LiDAR地面點(diǎn)與GPS-RTK實(shí)測(cè)的縱橫斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析（見(jiàn)圖2）。

圖2 濾波后地面點(diǎn)和剖面圖

3 數(shù)據(jù)分析

將GPS-RTK實(shí)測(cè)的縱橫斷面數(shù)據(jù)與濾波得到的地面點(diǎn)一同展繪在Terrasolid軟件并計(jì)算高程較差，野外共實(shí)測(cè)到152個(gè)中樁高程數(shù)據(jù)，按照誤差區(qū)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)測(cè)中樁與機(jī)載LiDAR點(diǎn)云高程對(duì)比

由表1可知，對(duì)比分析的152個(gè)點(diǎn)中，有4個(gè)點(diǎn)誤差大于1m，有1個(gè)點(diǎn)誤差在0.5m到1m的范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)檢查這些點(diǎn)或位于密林地區(qū)，或位于房屋、陡坎、山溝附近等坡度變化較大的區(qū)域或附近無(wú)雷達(dá)點(diǎn)的區(qū)域。誤差區(qū)間位于0.2m到0.5m的一共有12個(gè)點(diǎn)，將這些實(shí)測(cè)點(diǎn)與真彩色點(diǎn)云做對(duì)比，發(fā)現(xiàn)這些點(diǎn)位于茂密植被覆蓋區(qū)域。誤差0.1m以內(nèi)的點(diǎn)在平地和山地的占比相當(dāng)，Terrasolid軟件計(jì)算中樁平均誤差0.16m，中誤差0.35m。

根據(jù)JTG C10-200《公路勘測(cè)規(guī)范》規(guī)定，中樁高程測(cè)量誤差應(yīng)滿足表2要求

表2 中樁高程測(cè)量精度

得出結(jié)論，在公路勘測(cè)縱斷面測(cè)量時(shí)，不建議完全使用機(jī)載LiDAR測(cè)量數(shù)據(jù)，應(yīng)該主要采用傳統(tǒng)測(cè)量方式數(shù)據(jù)，在測(cè)量員無(wú)法到達(dá)的特殊環(huán)境，可參考機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)集采中樁高程。

將實(shí)測(cè)的169組橫斷面數(shù)據(jù)，共計(jì)1080個(gè)高程點(diǎn)與機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算得到高程平均誤差0.2m，中誤差0.47m，統(tǒng)計(jì)高程較差如表3所示。

表3 橫斷面高程精度

對(duì)表3統(tǒng)計(jì)的點(diǎn)誤差進(jìn)行分析，誤差大于0.5m的點(diǎn)存在77個(gè)，將這些點(diǎn)與真彩色點(diǎn)云比較得知，77個(gè)點(diǎn)均位于山地密林覆蓋區(qū)域，陡坎上下，坡度變化較大的區(qū)域以及附近缺少雷達(dá)點(diǎn)的區(qū)域。誤差區(qū)間在0.3m到0.5m的點(diǎn)有80個(gè)，其中平地8個(gè)，山區(qū)72個(gè)，這些點(diǎn)大于位于陡坎附近和地表有植被覆蓋的區(qū)域。

結(jié)論：機(jī)載LiDAR在山區(qū)有密林覆蓋的區(qū)域獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可用于橫斷面采集，但是在密林覆蓋區(qū)域，陡坎、坑、溝等地形變化較大的區(qū)域，建筑物附近使用Terrasolid進(jìn)行橫斷面自動(dòng)采集時(shí)，應(yīng)注意由于地面點(diǎn)云密度不足導(dǎo)致的橫斷面數(shù)據(jù)誤差較大。在這些地區(qū)采集時(shí)可借助DOM或真彩色點(diǎn)云，使用點(diǎn)云三維測(cè)圖軟件疊加橫斷面線文件進(jìn)行人工立體采集。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，機(jī)載LiDAR作為一種高效的測(cè)量方式逐漸改變了傳統(tǒng)測(cè)繪的作業(yè)模式，但因其價(jià)格昂貴，在國(guó)內(nèi)還未普及應(yīng)用。本文采用一般中小企業(yè)均可消費(fèi)的國(guó)產(chǎn)激光雷達(dá)對(duì)某山林地區(qū)進(jìn)行機(jī)載LiDAR測(cè)繪，獲取了某公路工程定測(cè)所需數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目的實(shí)施證明了可以使用機(jī)載LiDAR測(cè)量輔助測(cè)量道路縱橫斷面數(shù)據(jù)，但是應(yīng)該注意在植被覆蓋較厚的測(cè)區(qū)需要使用穿透力較強(qiáng)的雷達(dá)，使用Terrasolid軟件進(jìn)行濾波時(shí)要反復(fù)試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置對(duì)不同地形的影像，以保證能夠獲取到體現(xiàn)真實(shí)地形的地面點(diǎn)。在陡坎、房屋、山溝等坡度變化較大的區(qū)域不能完全使用軟件自動(dòng)生成橫斷面數(shù)據(jù)，可以借助高精度地面點(diǎn)采用點(diǎn)云三維測(cè)圖軟件進(jìn)行人工采集橫斷面數(shù)據(jù)，以保證斷面數(shù)據(jù)在這些區(qū)域的精度。