現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)在公路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

劉士遠(yuǎn)

（黑龍江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司，哈爾濱 150080）

1 引言

互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、信息技術(shù)、智能技術(shù)的發(fā)展，有效推動(dòng)了現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。以往在進(jìn)行工程勘測(cè)設(shè)計(jì)時(shí)，主要采用人力“跑圖”方式開(kāi)展測(cè)繪工作，整體效率低下，還很容易引起各種安全事故。同時(shí)在獲得測(cè)繪數(shù)據(jù)后，同樣需要進(jìn)行海量的計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果很容易受人為誤差的影響，不利于測(cè)繪工作質(zhì)量水平的提升，因此，加強(qiáng)現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展

伴隨著現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，測(cè)繪作業(yè)開(kāi)展方面出現(xiàn)了很大的變化。比如，在現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)中，涌現(xiàn)了很多數(shù)字化、信息化測(cè)繪技術(shù)，比較典型的包括“3S”測(cè)繪技術(shù)。除此之外，還出現(xiàn)了無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)量技術(shù)、無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)等。上述這些技術(shù)的存在，打破了傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)受客觀地形、水文環(huán)境等條件的限制，能夠在空中實(shí)現(xiàn)對(duì)工程內(nèi)容的測(cè)量，在顯著提升了測(cè)量效率的同時(shí)，更有利于保障工程項(xiàng)目勘測(cè)設(shè)計(jì)質(zhì)量。

對(duì)無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)量技術(shù)而言，該項(xiàng)技術(shù)通過(guò)無(wú)人機(jī)+激光測(cè)距+高清同軸相機(jī)，可以在控制完整地記錄測(cè)量被目標(biāo)對(duì)象表面反射點(diǎn)的坐標(biāo)、反射率、色彩和紋理等信息，最終可以形成三維點(diǎn)云，能夠快速實(shí)現(xiàn)測(cè)量對(duì)象目標(biāo)的三維重現(xiàn)。并且與傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)如鋼尺量距、全站儀等相比，無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)量技術(shù)的存在，可以顯著提升測(cè)量效率。同時(shí)通過(guò)該項(xiàng)測(cè)繪技術(shù)可以精準(zhǔn)地獲取被測(cè)物體的高精度點(diǎn)云和高分辨率色彩，因此，可以更好地滿足被測(cè)物體幾何結(jié)構(gòu)和紋理信息采集的需求。基于獲得的測(cè)繪信息，可快速完成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則的場(chǎng)景的三維可視化模型的構(gòu)建，便于工程測(cè)繪人員獲取更全面的信息。在后續(xù)進(jìn)行測(cè)繪數(shù)據(jù)處理方面，也可以利用相關(guān)先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)測(cè)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理，有效減輕后續(xù)“內(nèi)業(yè)”測(cè)繪數(shù)據(jù)處理工作量，這對(duì)公路工程測(cè)繪效率提升也有著較為積極的影響意義。最后，工程測(cè)繪人員還可以運(yùn)用無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)量技術(shù)，獲得一些分辨率較高的公路工程航空?qǐng)D像信息，隨后利用這些圖像數(shù)據(jù)，完成公路工程數(shù)字工程建模與線路規(guī)劃圖的制作，有效提升公路工程勘測(cè)質(zhì)量水平。

對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)而言，傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)繪通常只能夠從垂直角度出發(fā)，完成對(duì)地物對(duì)象的拍攝測(cè)繪，獲取測(cè)繪數(shù)據(jù)的角度、方式比較單一。而對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)而言，由于在無(wú)人機(jī)上搭載了多個(gè)攝像頭以及傳感器，因此，可以從垂直角度、側(cè)視角度等多角度完成對(duì)地物對(duì)象的測(cè)繪數(shù)據(jù)的獲取。將該技術(shù)應(yīng)用于公路工程勘察設(shè)計(jì)中，可以有效確保獲取相關(guān)測(cè)繪數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與完整性。在獲得相關(guān)的測(cè)繪數(shù)據(jù)成果后，測(cè)繪人員可以從相應(yīng)模型出發(fā)，抽取各種格式的測(cè)繪輔助數(shù)據(jù)，如DEM 數(shù)據(jù)、DSM 數(shù)據(jù)、DOM 數(shù)據(jù)等。不僅如此，圍繞所獲得的測(cè)繪數(shù)據(jù)成果，可以從中導(dǎo)出高密度點(diǎn)云與圖像，這些信息與原始數(shù)據(jù)有著非常高的匹配度，從而為公路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)工作開(kāi)展提供非常重要的幫助[1]。比如，結(jié)合具體的點(diǎn)云與圖像信息，勘測(cè)人員可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的地形有全面的了解與認(rèn)識(shí)。除了可以獨(dú)立運(yùn)用傾斜攝影測(cè)繪數(shù)據(jù)成果以外，還可以將該測(cè)繪成果與其他技術(shù)組合運(yùn)用，如可以與遙感技術(shù)進(jìn)行組合運(yùn)用，測(cè)繪人員可以直接從云端平臺(tái)獲得公路工程測(cè)繪區(qū)域的圖像信息，從而為工程勘測(cè)設(shè)計(jì)工作開(kāi)展提供良好的幫助。

總之，在上述現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的幫助下，可以實(shí)現(xiàn)公路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)泛在測(cè)繪工作的開(kāi)展。即上述一系列先進(jìn)的現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用，減少了測(cè)繪作業(yè)對(duì)相關(guān)專業(yè)理論知識(shí)的依賴，相關(guān)人員可以在規(guī)范的操作程序指導(dǎo)下，不需要了解內(nèi)部測(cè)量技術(shù)原理，也可以保質(zhì)保量地完成測(cè)繪作業(yè)工作，獲得更高精度的測(cè)繪數(shù)據(jù)信息，為公路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)以及后續(xù)的建設(shè)提供充足的數(shù)據(jù)信息支持。

3 公路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀分析

從公路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀來(lái)看，一些勘測(cè)人員依然在采用傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)，如GPS-RTK 測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量、全站儀測(cè)量等方式。上述測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用，需要測(cè)繪人員負(fù)責(zé)完成大量的測(cè)繪外業(yè)工作，不僅很容易受到客觀地形因素的影響，導(dǎo)致整體測(cè)繪工作開(kāi)展效率低下，還很容易出現(xiàn)摔傷等安全事故，且因?yàn)榭陀^地形限制，一些測(cè)量區(qū)域無(wú)法抵達(dá)，導(dǎo)致獲得的數(shù)據(jù)信息不完整，這必然會(huì)影響公路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)質(zhì)量水平。為改善上述限制，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，從而不再受限于地形水文條件，可以獲得更全面的測(cè)繪信息，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求，全面了解測(cè)繪區(qū)域地形圖、公路橫縱斷面等信息?；诖?，針對(duì)現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)在公路勘測(cè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，本文以無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)量技術(shù)應(yīng)用為例，闡述現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)在公路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，最終獲得的測(cè)繪成果不僅可以滿足公路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)的需求，還能夠用于公路工程路線方案設(shè)計(jì)的對(duì)比與優(yōu)化。

4 現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)在公路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

4.1 無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)選擇

無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)量系統(tǒng)，集成了諸多系統(tǒng)技術(shù)內(nèi)容，除包括激光測(cè)距系統(tǒng)技術(shù)以外，還包括GNSS 差分定位系統(tǒng)、INS 姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)等，最終目的是獲得精度更高的測(cè)繪數(shù)據(jù)信息。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，做好無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)的選擇非常重要。在這一過(guò)程中，應(yīng)注重做好各種精度指標(biāo)的分析，從而確保最終獲得的激光點(diǎn)云有著較高的精度。事實(shí)上導(dǎo)致無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量誤差的因素有很多，如激光測(cè)距不準(zhǔn)確，掃描角度不合理，GNSS 定位不準(zhǔn)確，IMU姿態(tài)測(cè)量不合理等。因此，在具體應(yīng)用無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)量技術(shù)前，必須要明確相關(guān)的誤差要求，才能消除上述誤差因素影響。通常而言，要求激光測(cè)距誤差在5 cm 以內(nèi)。在實(shí)踐中，掃描角誤差可以忽略不計(jì)，但GNSS 定位必須要準(zhǔn)確，要求定位平面精度誤差不得超過(guò)5 cm，高程定位精度誤差不得超過(guò)10 cm。在IMU 姿態(tài)測(cè)量誤差控制方面，則需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)，做好誤差補(bǔ)償工作。具體而言，隨著無(wú)人機(jī)行航高的增加，姿態(tài)角的誤差對(duì)激光點(diǎn)坐標(biāo)定位帶來(lái)的影響也會(huì)越大，并且與高程誤差相比，對(duì)平面誤差帶來(lái)的影響更大[2]。同時(shí)在航高不變的情況下，伴隨著掃描角度的增加，IMU 測(cè)角誤差對(duì)激光點(diǎn)航向定位和高程帶來(lái)的影響也會(huì)隨之變大。同時(shí)掃描角度的變化不會(huì)對(duì)方向定位精度帶來(lái)誤差影響。基于此，在應(yīng)用無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，要求側(cè)滾、俯仰角測(cè)量精度技術(shù)參數(shù)應(yīng)在0.010°以上，航偏角測(cè)量精度技術(shù)參數(shù)不低于0.015°。此外，在進(jìn)行無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)選擇時(shí)，還應(yīng)關(guān)注脈沖重復(fù)頻率這一技術(shù)參數(shù)，要求該數(shù)值盡可能提升，如此可以有效確保最終獲得的測(cè)繪激光點(diǎn)云密度更大，測(cè)繪信息更詳細(xì)。

4.2 無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取與CAD協(xié)同設(shè)計(jì)

從現(xiàn)實(shí)情況來(lái)看，采用無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行公路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)作業(yè)時(shí)，實(shí)際有效飛行作業(yè)距離相對(duì)較短。因此，在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，需要選擇分區(qū)飛行的方式，獲取更加全面的數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，為了防止無(wú)人機(jī)在飛行時(shí)發(fā)生事故，要求加強(qiáng)無(wú)人機(jī)跨線飛行距離控制。一般不得超過(guò)1 km。無(wú)人機(jī)每次作業(yè)飛行時(shí)間不得超過(guò)20 min。無(wú)人機(jī)的航線總長(zhǎng)度應(yīng)小于7 km。結(jié)合公路工程勘測(cè)區(qū)實(shí)際情況，預(yù)先完成無(wú)人機(jī)起降飛行場(chǎng)地的選擇。要求選擇的場(chǎng)地地形平坦，視野開(kāi)闊，不存在高功率信號(hào)的干擾。同時(shí)還應(yīng)考慮實(shí)際的天氣情況，選擇在晴天、無(wú)云、風(fēng)力較小的時(shí)間段開(kāi)展測(cè)量工作。在無(wú)人機(jī)正式起飛前，還應(yīng)注意檢查飛機(jī)電池是否滿電、遙控器是否操作正常、控制平板電腦設(shè)備是否運(yùn)行正常，從而確保整個(gè)設(shè)備狀態(tài)完好。在確認(rèn)一切狀況良好后，無(wú)人機(jī)正式開(kāi)始起飛。為了獲得較高的地面反射點(diǎn)云密度，應(yīng)將無(wú)人機(jī)激光脈沖頻率設(shè)置為最大值。

在完成無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取后，還需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。在這一過(guò)程中，需要將GNSS、IMU 等數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，然后再進(jìn)行計(jì)算分析，可以獲得航線位置以及姿態(tài)信息。在此基礎(chǔ)上，還需要結(jié)合測(cè)距信息，最終可以獲得原始的公路工程勘測(cè)區(qū)域激光點(diǎn)云信息。針對(duì)這些激光點(diǎn)云信息，還需要采取一系列后續(xù)處理措施，如需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、濾波、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等處理，才能獲得可用的、密集的地面點(diǎn)云信息。最后，還需要利用專業(yè)的軟件，將上述點(diǎn)云信息轉(zhuǎn)化為實(shí)用的數(shù)字正射影像圖（DOM）、數(shù)字線劃地形圖（DLG）等，用于滿足公路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)要求。比如，公路勘測(cè)設(shè)計(jì)人員可以將上述測(cè)繪數(shù)據(jù)信息融入CAD 系統(tǒng)之中，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)公路平面、橫斷面設(shè)計(jì)，做好不同路線規(guī)劃方案的優(yōu)化與比選，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)量系統(tǒng)與CAD 的協(xié)同設(shè)計(jì)。

4.3 無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐效果

4.3.1 工程項(xiàng)目概況

為了檢驗(yàn)無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)量系統(tǒng)在公路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用效果，本文結(jié)合某公路工程項(xiàng)目進(jìn)行分析。鶴崗至哈爾濱高速公路是《國(guó)家高速公路網(wǎng)規(guī)劃》中“縱一線”的聯(lián)絡(luò)線，路線全長(zhǎng)468 km，途經(jīng)鶴崗、伊春、鐵力、綏化、哈爾濱，連接了多條國(guó)省干線公路，形成了顯著的網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)。其中伊春至哈爾濱段已建成通車(chē)，當(dāng)前僅鶴崗至伊春段尚未建成，現(xiàn)對(duì)鶴崗至伊春段高速公路建設(shè)工程進(jìn)行勘測(cè)設(shè)計(jì)。

4.3.2 無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)量應(yīng)用

在本項(xiàng)目中，采用了旋翼無(wú)人機(jī)設(shè)備，用于激光掃描測(cè)繪。其中測(cè)距精度控制在15 mm，最大有效點(diǎn)頻10×105點(diǎn)/s。在位置精度方面，平面精度為10 mm，高程20 mm。俯仰、翻角標(biāo)稱測(cè)量精度為0.005°。航偏角為0.013°。該勘測(cè)區(qū)域以帶狀地形為主，不僅有著較大的長(zhǎng)度，同時(shí)寬度數(shù)值較小。因此，在采用無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)繪時(shí)，只需要往返一條航帶便可以完成測(cè)繪作業(yè)工作。在測(cè)繪數(shù)據(jù)采集方面，可以選擇設(shè)計(jì)線位中線兩側(cè)各約150 m 范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。在航線規(guī)劃方面，綜合考慮多種因素，本次無(wú)人機(jī)起飛分為2 個(gè)架次，每個(gè)架次約5～6 km，設(shè)置了一個(gè)起飛場(chǎng)。在相對(duì)航高處于135 m 時(shí)，能確保航線下方最低處的點(diǎn)云密度在35 個(gè)/m2以上。影像地面分辨率為0.1 m。在地面基站建設(shè)方面，本項(xiàng)目采用了雙站模式，在測(cè)區(qū)內(nèi)，選擇了2 個(gè)首級(jí)控制點(diǎn)，通過(guò)雙頻接收機(jī)完成地面基站的架設(shè)。

4.3.3 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了對(duì)本次測(cè)繪獲得的激光點(diǎn)云精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。沿著整個(gè)測(cè)區(qū)，布置2 516 個(gè)高程檢查點(diǎn)。在這一過(guò)程中，搭配了GPS-RTK 測(cè)量方法，完成其平面和高程坐標(biāo)的測(cè)量。從本項(xiàng)目測(cè)繪結(jié)果來(lái)看，激光點(diǎn)云與實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)有著非常高的吻合度，證明激光點(diǎn)云有著較強(qiáng)的精度[3]。同時(shí)為了對(duì)獲得的激光點(diǎn)云進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。通過(guò)本項(xiàng)目設(shè)置的2 516 個(gè)檢查點(diǎn)，確定其實(shí)測(cè)高程，然后與激光點(diǎn)云內(nèi)插高程進(jìn)行對(duì)比，最終結(jié)果表明，最大高程誤差0.371 m，最小高程誤差－0.323 m，中誤差0.120 m，誤差均值為－0.040 m。說(shuō)明本次激光點(diǎn)云有著良好的精度，表明應(yīng)用無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)量效果良好，可以高效生成設(shè)計(jì)人員所需的道路橫斷面數(shù)據(jù)，用于公路工程路線方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在公路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)量技術(shù)發(fā)揮著非常重要的作用價(jià)值。因此，要提高對(duì)無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)量技術(shù)的重視程度，認(rèn)識(shí)到該項(xiàng)技術(shù)所具備的優(yōu)勢(shì)特征，同時(shí)結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，加強(qiáng)對(duì)無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐分析，從而為公路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)提供充足的信息支持。