機(jī)載LiDAR技術(shù)在山區(qū)高速公路勘測設(shè)計中的研究與應(yīng)用

張 衡 李 通 肖 鵬 徐花芝

(山東省國土測繪院，山東 濟(jì)南 250013)

機(jī)載LiDAR技術(shù)在山區(qū)高速公路勘測設(shè)計中的研究與應(yīng)用

張 衡 李 通 肖 鵬 徐花芝

(山東省國土測繪院，山東 濟(jì)南 250013)

結(jié)合寧都至定南高速公路勘察設(shè)計項目，對機(jī)載LiDAR技術(shù)數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理及在高速公路勘測中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的研究，成功完成了線路的地形圖、數(shù)字高程模型、縱橫斷面的制作，并對其進(jìn)行了精度分析，論證了機(jī)載LiDAR技術(shù)在山區(qū)高速公路勘測中的可行性，得出了一些有益的結(jié)論。

機(jī)載LiDAR 山區(qū) 高速公路勘測 精度分析

1 引言

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)是一種集激光測距、全球定位系統(tǒng)(GPS)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)和CCD相機(jī)為一體的系統(tǒng)[1]。能夠快速獲取高精度、高密度的地面點云數(shù)據(jù)和高分辨率的影像數(shù)據(jù)，并且自動化程度高、受天氣影像較小、數(shù)據(jù)獲取速度快、精度高、產(chǎn)品多樣化等特征，具有傳統(tǒng)攝影測量方法不可比擬的優(yōu)勢[2-3]，因此，引起了測繪界研究的濃厚興趣。

傳統(tǒng)的高速公路測量方法主要是應(yīng)用水準(zhǔn)儀、全站儀、GPS等測量設(shè)備對路線的地形圖、道路的縱橫斷面、沿線的主要構(gòu)造物進(jìn)行測量[4]，以獲取滿足設(shè)計需要的數(shù)據(jù)。利用這些傳統(tǒng)技術(shù)雖然也能夠滿足精度要求，但是其效率低，需要對路線進(jìn)行重復(fù)測量，成本較高[5]。特別是在山區(qū)植被茂密的區(qū)域，利用傳統(tǒng)的方法根本無法測量。因此，本文結(jié)合寧都至定南高速(以下簡稱寧定高速)公路勘測項目，對機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)獲取及處理技術(shù)進(jìn)行了深入研究，探索出了一套機(jī)載LiDAR技術(shù)應(yīng)用于山區(qū)高速公路勘測完整方案，并對其可行性進(jìn)行了驗證分析。

2 項目實施

寧定高速公路項目位于江西省贛州市，北起江西省寧都縣，南至江西省定南縣，線路主線全長約78.6km，比較線長度約40.2km，沿線主要以山區(qū)為主，植被茂密，地形復(fù)雜，還有部分原始森林。若采用傳統(tǒng)的測量方法基本無法完成線路的勘測任務(wù)，結(jié)合項目實際情況，提出了利用機(jī)載LiDAR系統(tǒng)進(jìn)行沿線航空掃描。由于機(jī)載LiDAR系統(tǒng)具有能穿透植被、精度高等優(yōu)勢[6]，能夠很好的滿足高速公路勘測的精度要求。

項目使用運5載人飛機(jī)搭載加拿大Optech公司生產(chǎn)的ALTM OrionH300型機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)。為減小IMU的誤差累計，保證點云的精度，在進(jìn)行航線設(shè)計時，將測區(qū)劃分為4個飛行區(qū)，在線路中間架設(shè)地面基站，用于解算機(jī)載機(jī)載POS數(shù)據(jù)。項目共飛行了2個架次，15條航線，飛行相對高度1500m，掃描開角為全角45°，激光點旁向重疊度不低于50%，激光發(fā)射頻率300KHz，激光發(fā)射頭掃描頻率30Hz，點云密度4點/平方米，每個架次設(shè)計一條構(gòu)架航線，航高保持一致。項目實施基本流程如圖1所示：

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

機(jī)載激光雷達(dá)航空掃描數(shù)據(jù)包括原始點云數(shù)據(jù)、機(jī)載POS數(shù)據(jù)、地面基站GPS數(shù)據(jù)及影像數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)預(yù)處理工作包括機(jī)載POS數(shù)據(jù)解算、點云航帶匹配、點云精度檢查等。其中最主要是對航帶間的誤差進(jìn)行處理，使同名點的三維坐標(biāo)一致，這是影響成果精度的重要因素。

1)POS數(shù)據(jù)解算。POS數(shù)據(jù)的解算使用POSPac商業(yè)軟件，解算后高程精度應(yīng)當(dāng)優(yōu)于5cm，平面精度應(yīng)當(dāng)優(yōu)于10cm。

2)點云航帶平差匹配。航帶平差匹配采用附加約束條件的光束法區(qū)域網(wǎng)平差算法[6]，處理后架次內(nèi)及架次之間的匹配精度均優(yōu)于10cm。

3)點云精度檢查。航飛前在地面布設(shè)一定數(shù)量的十字地表[7]，并利用RTK測得其三維坐標(biāo)，與激光點云比較，得出激光點云精度報告。如表1所示：

表1 點云精度統(tǒng)計表 (單位：m)

3.2 基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換

機(jī)載LiDAR獲取的數(shù)據(jù)采用的是WGS84坐標(biāo)系，UTM投影，高程系統(tǒng)采用的是大地高系統(tǒng)。本項目采用的是1980西安坐標(biāo)系，正常高，所以要利用測區(qū)內(nèi)分布均的首級控制點運用布爾沙模型計算出七參數(shù)[8]，將激光點云從WGS84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到1980西安坐標(biāo)系。

式中：ΔX0,ΔY0,ΔZ0為3個平移參數(shù)，εX,εY,εZ為3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)，m為尺度變化參數(shù)。

高程擬合利用沿線的首級控制點計算出其高程異常值，采用解析內(nèi)插與三次樣條函數(shù)[9]法將點云高程由大地高轉(zhuǎn)換為正常高，得到工程坐標(biāo)系下的點云成果。

3.3 點云濾波處理及DEM構(gòu)建

機(jī)載LiDAR能夠獲取豐富的地面三維信息數(shù)據(jù)，包括地面植被、人工建筑物等，在高速公路設(shè)計時，設(shè)計人員只關(guān)心地面點數(shù)據(jù)，所以需要將點云進(jìn)行濾波處理，濾除非地面點數(shù)據(jù)，得到地面點數(shù)據(jù)成果，并構(gòu)建DEM[10]，作為設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并用于制作線路的DOM、DLG及縱橫斷面。利用點云數(shù)據(jù)制作的數(shù)字高程模型如圖2所示。

3.4 道路斷面提取

斷面成果是設(shè)計人員最重要的成果之一，經(jīng)處理后的點云數(shù)據(jù)和DEM成果，設(shè)計人員可以直接導(dǎo)入到緯地等道路設(shè)計軟件中，用于自動提取線路的縱橫斷面。實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)與設(shè)計工作的完美對接。基于高密度的點云數(shù)據(jù)成果，設(shè)計人員可以任意提取縱橫斷面，這也是機(jī)載LiDAR的一個巨大優(yōu)勢。提取的斷面圖如圖3所示。

3.5 線路帶狀地形圖制作

機(jī)載LiDAR技術(shù)能夠同時獲取三維點云和影像數(shù)據(jù)，在地形圖的測繪與制作中有巨大的優(yōu)勢，本文利用LiDAR數(shù)據(jù)在無外業(yè)像控點的情況下快速制作線路帶狀地形圖，達(dá)到了1∶2000地形圖的精度要求，大大節(jié)省了勘測設(shè)計成本和時間。利用LiDAR數(shù)據(jù)制作地形圖的工作包括：

1)地物要素數(shù)據(jù)的采集。利用LiDAR系統(tǒng)獲取的影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)和相機(jī)文件數(shù)據(jù)及點云數(shù)據(jù)在無外業(yè)像片控制點的情況下進(jìn)行影像糾正和空中三角測量，恢復(fù)立體像對，快速采集地物要素數(shù)據(jù)，

2)地貌和高程注記點的采集。利用Terrasolid和南方CASS軟件在地面點云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上自動提取高程注記點并生成等高線，改變了傳統(tǒng)攝影測量依靠立體測圖采集高程點和等高線的模式。

3)地形圖成果生成。將地物要素和地貌要素的綜合處理，經(jīng)過內(nèi)業(yè)編輯整飾即可得到帶狀地形圖成果。

4 成果精度分析

為了驗證機(jī)載LiDAR技術(shù)在山區(qū)高速公路勘測中的可行性，對地形圖精度和橫斷面精度進(jìn)行了檢查。

1)地形圖精度的檢查。利用GPS RTK的方法在道路交叉口處、房屋角點均勻采集了647個平面點，在硬化地面、農(nóng)田等處均勻采集了1151個高程點，對地形圖的平面和高程精度分別進(jìn)行計算分析，誤差統(tǒng)計表如表2、表3所示。

表2 平面誤差統(tǒng)計 (單位：m)

表3 高程誤差統(tǒng)計 (單位：m)

2)斷面精度檢查。利用RTK測量結(jié)合水準(zhǔn)測量的方式在道路沿線每隔2km采集一條橫斷面，并與激光點云提取的橫斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如圖4中，列出了點云斷面和實測斷面的對比圖，其中最大的點高差為15.3cm，中誤差為9.2cm，表明機(jī)載LiDAR在山區(qū)中的橫斷面測量精度完全能夠滿足山區(qū)高速公路勘測設(shè)計的精度要求。

根據(jù)規(guī)范要求，山地1∶2000地形圖平面位置中誤差為1.6m，高程中誤差為1.2m，以2倍中誤差為限差。經(jīng)過外業(yè)檢查分析，利用機(jī)載LiDAR技術(shù)無像控點制作的地形圖平面和高程精度均優(yōu)于規(guī)范對1∶2000地形圖的精度要求，數(shù)字高程模型和斷面的精度也遠(yuǎn)高于規(guī)范要求，完全能夠滿足山區(qū)高速公路勘測設(shè)計的需要。

5 總結(jié)與展望

機(jī)載LiDAR系統(tǒng)能夠同時獲取高精度、高密度的點云數(shù)據(jù)和高分辨率的影像數(shù)據(jù)，具有三維測量的獨特優(yōu)勢，多原始數(shù)據(jù)經(jīng)過簡單處理即能夠獲取高精度的地面點云成果、數(shù)字高程模型成果以及數(shù)字線劃圖成果，快速的制作4D產(chǎn)品，本文結(jié)合寧定高速公路勘測項目，對基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)制作數(shù)字高程模型、數(shù)字線劃圖、道路斷面提取等進(jìn)行了深入研究，經(jīng)過驗證其成果能夠滿足高速公路勘測設(shè)計的精度要求，形成了機(jī)載LiDAR技術(shù)應(yīng)用于山區(qū)高速公路勘測的完整方案，提高了山區(qū)高速公路勘測設(shè)計效率，縮短了勘測周期。并得出以下結(jié)論：

1)機(jī)載LiDAR技術(shù)在制作山區(qū)地形圖時，可以在無像控點的條件下，利用POS數(shù)據(jù)和點云數(shù)據(jù)對影像進(jìn)行糾正，能夠滿足1∶2000地形圖的精度要求；

2)機(jī)載LiDAR技術(shù)獲取的點云數(shù)據(jù)精度較高，能夠用于山區(qū)高速公路的勘測設(shè)計。

3)機(jī)載LiDAR技術(shù)與其他測量手段相比，精度高，速度快，點云覆蓋全面，非常適用于高速公路勘測項目。

隨著機(jī)載LiDAR技術(shù)的進(jìn)一步成熟，必將成為以后高速公路勘測設(shè)計的主流手段，對于推動高速公路勘測設(shè)計手段的進(jìn)步和測繪新技術(shù)的廣泛應(yīng)用有重要意義。

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The Research and Application of Airborne LiDAR Technology in Mountainous Area Expressway Surveying and Designing

ZHANG Heng,LI Tong,XIAO Peng,XU Hua-zhi

(Shandong Institute of Land Surveying and Mapping, Jinan Shandong 250013, China)

This paper takes Ningdu to Dingnan Expressway surveying and designing projects ,Jiangxi Ganzhou,for example,conducting a detailed study on data acquisition,processing and application in Expressway surveying and designing using Airborne LiDAR Technology.And completed the strip topographic map, digital elevation models, vertical and horizontal cross-section successfully.Then analysised the accuracy of the results,demonstrated the feasibility of airborne LiDAR technology in the mountainous Area Expressway surveying and designing,and draw some useful conclusions.

airborne LiDAR;mountainous area;expressway surveying; accuracy analysis

2016-05-18

P258

B

1007-3000(2016)06-4