機載激光雷達技術在山區公路勘察設計中的應用

王 濤

(廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

目前，公路建設普遍面臨工期短、建設環境復雜等問題。機載激光雷達技術是近年來興起的一種高新測繪技術，能夠很好地解決山區公路勘測中遇到的種種難題。本文結合賀州至巴馬高速公路工程實例，闡述該技術的主要特點和工作流程，并介紹該技術成果在賀州至巴馬高速公路勘察設計中的具體應用。

1 機載激光雷達技術簡介

1.1 技術簡介

機載激光雷達技術(Airborne Light Detection and Ranging，LiDAR)是集激光掃描、全球定位系統(GPS)、慣性導航系統(INS)、攝影測量等多種技術于一體的空間測量技術，能夠快速、精確地獲取地表三維信息。

激光掃描是整個LiDAR系統的核心部分，它以一定的模式發射一系列激光束以實現對地面點的采樣。主要由激光測距單元、光機掃描鏡、控制和處理單元組成，一般采用脈沖測量模式和相位差測量模式。

全球定位系統(GPS)在LIDAR系統中用于確定掃描投影中心的空間位置。為了提高定位的精度，一般采取實時差分GPS(DGPS)或實時載波相位差分(RTK)方法。在地面設置一個GPS基準站，飛機上的GPS作為流動站，需要實時地將基準站上的有關數據傳送給飛機上GPS接收機，以便飛機上進行高精度的定位。

慣性導航系統(INS)主要用于測量掃描裝置主光軸的空間姿態參數，其通過載體加速度和角速度，計算出載體速度、位置和姿態參數，并與GPS定位數據結合起來，對激光掃描和多波段成像等數據進行快速定位。姿態測定精度的高低對于能否獲得高精度的定位起著主導作用。

攝影測量則主要通過數碼相機系統，獲取地面的彩色數碼影像。后期經過處理，結合DEM制作成數字正射影像(DOM)。

1.2 技術特點

機載激光雷達技術作為近年來興起的一種高新測繪技術，相對于傳統的航空攝影測量和人工測量方式，它具有以下幾個方面的特點和優勢：

(1)效率高。作為一種主動式測量方式，其外業作業對自然條件的依賴性小，不易受天氣、氣候、復雜山區地形等自然因素的影響，可以24 h全天候工作。同時，依靠成熟完善的配套軟件，其內業數據處理速度快、周期短。

(2)精度高。激光具有極高的方向指向性，配置高精度姿態測量系統后能達到很高的定位精度。同時，由于激光探測具有多次回波的特性，激光脈沖在穿越植被空隙時，可返回樹冠、樹枝、地面等多層高程數據。植被穿透能力強的特點就保證了射在地表上有效激光點的數量，從而能精確地反映地表真實高程，保證測量成果的精度。

(3)成果豐富。基于外業測量獲取的高密度、高精度的點云及影像數據，通過內業處理可以生成數字表面模型(DSM)、數字高程模型(DEM)、數字線劃圖(DLG)和數字正射影像(DOM)等。

(4)測量安全。該技術基本不需要或很少需要測量人員進入測量現場，可以對危險地區安全地實行遠距離高精度測量，保障了測量人員安全。

2 機載激光雷達技術在賀州至巴馬高速公路中的應用

2.1 項目背景

賀州至巴馬高速公路是《廣西高速公路網規劃修編(2010-2020)》“6橫7縱8支線”布局方案中“橫3”線，起于粵桂交界的賀州市，途經賀州、桂林、梧州、來賓、柳州、河池六市；鐘山、平樂、昭平、蒙山、荔浦、金秀、象州、柳江、忻城、都安、大化、巴馬12個縣；先后與縱1線龍勝至岑溪高速、縱2線資源至鐵山港高速、縱3線三江至北海高速、縱4線全州至友誼關高速、縱5線桂林至南寧高速第二通道、縱6線南丹至東興高速、橫2線賀州至隆林高速七條高速公路相接。項目橫跨桂東、桂中和桂西3個經濟區，是廣西東西向重要的公路通道之一。

賀州至巴馬高速路主要的特點是地形復雜、生態環境好。復雜的自然環境給傳統的人工測量帶來了極大的困難。為了能在精度、進度等各方面滿足項目要求，該項目采用了機載激光雷達測量技術。

2.2 測量過程簡介

2.2.1 主要測量設備

航空攝影使用的是直升機搭載平臺。直升機為通用航空公司的恩斯特龍480B飛機。飛機姿態保持由飛機導航GPS設備及機載激光雷達設備配置的高精度GPS、IMU共同保證，在飛機Pitch、Roll與Heading的控制方面均能達到較高的精度要求。

航空攝影測量設備為加拿大Optech公司的Ecllipse機載激光雷達測量系統。該激光掃描儀最高脈沖頻率可達40萬Hz，最多能夠接收4次回波，具有多脈沖的功能。

2.2.2 航測技術指標

相關航測技術指標具體參見下頁表1。

2.2.3 航測分區和航線設計

測區長約102 km，0.6 km帶寬，互通式立體交叉路段及比較方案路段適當加寬，測區設置7個分區。由于LIDAR航測設備使用高精度的GPS/IMU定位，為防止IMU漂移誤差，每條航線的長度不能超過30 km。

表1 航測技術指標表

2.2.4 GPS基站方案

實行地面GPS基站架設使用的方案。項目共需要兩個地面GPS基站。航攝過程中，保證一個地面GPS基站根據需要隨時架設，并進行同步觀測。地面GPS基站的有效覆蓋半徑為30 km。

2.2.5 產品制作

原始數據成果主要用于制作1∶2 000比例尺DEM、DOM，主要工作內容包括點云分類、航片空三加密、正射糾正、拼接線改正、圖幅裁切、DOM制作等工作，如圖1、圖2所示。

圖1 數字高程模型(DEM)示意圖

圖2 數字正射影像(DOM)示意圖

2.3 測量成果在各專業中的具體應用

機載激光雷達測量的成果主要用于公路勘察設計中的以下幾個專業：中樁、橫斷面地面高程，拆遷建筑物調查、不良地質調查、高壓線測量等。

2.3.1 中樁、橫斷面地面線

傳統測量方法是采用全站儀和GPS-RTK測量。對于這種山區高速公路，地勢陡峭、地形復雜，進度和精度都無法保障，同時測量過程中安全隱患大。

機載激光雷達技術則是通過激光穿透植被，獲得高密度的激光點云，生成高精度的數字高程模型，最后通過相關專業軟件提取中樁、橫斷面地面高程，如圖3所示。

圖3 通過數字高程模型提取中樁、橫斷面高程示意圖

路線設計中經常需要局部調整路線方案。如果采用傳統的測量方法，一旦調整路線，就需要重新測量。采用機載激光雷達技術后，由于點云數據量較大、范圍寬，調整路線以后可以直接提取相關數據，不需要重新測量。

2.3.2 拆遷建筑物調查

傳統測量方法是通過皮尺測量或全站儀、GPS+RTK采點測量來確定建筑物規模。這種方法效率低，同時測量過程會暴露征拆的紅線范圍，可能會導致出現開工前沿線搶修搶種的現象。

機載激光雷達技術生成數字正射影像以后，根據影像可以直接量出建筑物的規模。同時，影像還可以作為征拆糾紛中的證據。

2.3.3 不良地質調查

通過數字正射影像可以清楚地看到滑坡的邊界、前緣、臺階等信息，為判別滑坡的范圍、規模提供了依據。另外，利用激光點云切取的剖面圖可以看出滑坡臺階狀特征，由此可推測出滑坡大概的滑面形狀和深度，如圖4～6所示。

圖4 數字正射影像圖判別滑坡位置示意圖

圖5 1∶2 000地形圖判別滑坡位置示意圖

圖6 激光點云剖面圖判別滑坡臺階狀特征示意圖

2.3.4 高壓線測量

傳統測量方法是采用GPS-RTK、全站儀測量電塔位置，全站儀測量懸高。測量過程中安全隱患非常大，同時，路線一旦調整，又需要重新測量。

機載激光雷達技術通過激光點云激獲取高壓電塔位置和高壓線懸高(見圖7)。路線方案調整也不需要重新測量。

圖7 高壓電塔、電線激光點云圖

2.4 測量成果精度

經檢驗，該項目DEM、DOM成果均滿足技術及相關規范要求，質量合格。各分項具體檢查情況如下：

原始點云經內業檢查，航跡線解算正確，點云密度和點云航帶間匹配精度滿足設計要求，數據完整。

利用外業測量高程點，與點云數據對比，共檢測223個點，點云高程精度為0.144 m，滿足技術要求，詳見表2。

表2 高程精度評價表

DEM數據正確、完整，與點云套合較好，柵格質量較好，無異常點，符合設計和相關規范要求。

2.5 拓展應用

機載激光雷達技術的成果除了應用于傳統的專業以外，還可以應用于真三維設計和BIM技術。

公路設計中三維圖大部分是按照大概的比例建模，然后渲染成三維效果圖，這種三維圖只能表示物體的大概形狀和空間位置。而機載激光雷達測量得到的高精度、高密度激光點云、正射影像數據再加上傾斜攝影，可以生成真實的三維場景，整個圖是由準確的矢量點構成，能準確地表示相關物體的規模和空間位置，如圖8所示。

圖8 真三維設計圖

機載激光雷達測量的成果也能為BIM技術提供豐富的基礎數據。BIM軟件利用精準的數字高程模型生成三維地形曲面，同時疊加影像數據，就形成了準確的三維場景，實現了在三維場景中進行直觀的方案設計。

3 結語

目前，機載激光雷達技術在技術層面上已經相當成熟。在國內公路領域，已經有許多項目采用該技術獲取地形數據，解決公路勘察設計中的難題。通過賀州至巴馬高速公路的工程實例表明，機載激光雷達技術的相關測量成果可以很好地應用于各專業的勘察設計中。經過檢驗，其精度滿足公路勘察設計相關規范要求。隨著各行業對該技術更深入地掌握和推廣，其將在工程建設中發揮更大的作用。

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