機載激光雷達測量技術在公路勘察設計中的應用分析

楊青坡（中鐵工程設計咨詢集團有限公司太原設計院，山西 太原 030000）

1 機載激光雷達測量技術概述

機載激光雷達技術是一種綜合合理利用激光全球定位系統、慣性導航系統的數據采集技術，其與傳統的航空攝影測量技術比較分析，具有其自身的獨特優勢，即自動化程度高、受天氣影響比較小、生產周期較短、精確度較高等。主要應用到探測地面的三維坐標中，以此產生激光雷達數據影響，通過進行數據處理和軟件處理，進一步生成地面DEM模型、等值線圖、DOM正射影像圖。機載激光雷達測繪技術主要就是把激光、全球定位、慣性導航、光學技術相結合，利用光學遙感技術，探測波段，以此有效獲取地面物體反射能量大小和物體反射波譜的幅度、頻率、相位等，針對所獲得的數據信息，及時處理并定位，據此針對目標物體，準確測速和識別。現階段，我國主要把機載激光雷達測繪技術應用到數字城市規劃、工程建筑測量、電力設計勘測選線、線路監測、災害監測、環境監測、林業種植與規劃等領域。

2 機載激光雷達測量技術在公路勘察設計中的應用

2.1 采集參數選擇

機載激光雷達測量具有其自身的獨特參數，即激光點間隔、激光重疊度、影像地面分辨率、飛行高度等相關參數。激光點間隔主要是通過平均點間隔距離或點數加以表示，從而對最終地面點的插值精度有著直接影響。在點云到達一定密度值之后，精度會隨著后期處理工作量不斷增加，增大因為分類錯誤所導致的誤差。切實根據工程相關數據信息，全面防止發生邊緣變形誤差，在后期處理數據時，剪切掉重疊區域的激光點。因此，在地形起伏并不大的情況下，機載激光雷達測量技術航測對航線旁向的重疊度，需要嚴格控制在20%-25%之間，只有這樣才能夠滿足使用需求。地面分辨率和成圖比例尺息息相關，以此描述像素代表地面的實際距離。飛行高度設計和成圖的精確度要求密切相聯系，也與激光設施設備和測區地形等相關聯。所以，在實際工程中，需要對相關參數進行全面計算和詳細分析。并且，隨著激光器校驗技術不斷精確，飛行高度對激光精度的影響不斷縮小。

2.2 輔助地面控制測量

激光點云的高程精度充分發揮著重要作用，在機載激光雷達測量中，一般都會設置與其相合適的地面基站測量，會涉及到地面控制測量的相關因素，其中主要有地面基站精確度、坐標轉換、水準面擬合精度、衛星分布情況等。機載激光雷達飛行時，與傳統測量比較分析，輔助地面基站測量工作強度大大降低，但是，技術要求難度會逐漸增加，在測量等級和精度的時候，要求非常高。

2.3 DOM和DEM制作

通過POS數據信息，計算外方位元素、相機參數迭代計算、影響鑲嵌、影響和點云匹配等，可以制作數字正射影像圖DOM。1:2000的DOM分辨率在0.2m以上，能夠滿足公路勘察設計可行性、初步設計、施工圖紙設計各環節的需求。充分合理DOM，對點云數據進行分類判斷和地物提取等，利用所獲取的地面點在對應軟件中，制作出可以滿足需求的數字地形圖DEM。

2.4 數字線劃圖DLG繪制

盡管DEM和DOM能夠滿足三維設計需求，但是此軟件并不能完全滿足生產需要。再加上，主流公路設計軟件，在開展公路設計工作時，主要通過等高線，以此為主的數字線劃圖DLG。受相幅和相機限制，Lidar所獲取的影像不適合通過立體測圖的方式獲得大面積DLG。一般來講，利用DEM自動生成等高線和高程點，結合DOM進行道路和排水等地物要素的矢量化。嚴格按照野外調繪位置，描繪地下管線。Lidar相對敏感的地面上，電力和通訊線等都可以從影像上獲取，也可以通過一定算法獲取矢量。

2.5 斷面采集

表1 激光點云測量精度統計

在進行公路勘察施工設計階段，橫斷面的測量任務相對繁雜。機載激光雷達測量技術通過詳細劃分激光點云，以便于對植被覆蓋比較密集的區域，可以獲取更加精確的DEM，以此有效解決傳統航測技術中所存在的主要問題。充分合理利用高精度DEM批量測繪線路上任意點的橫斷面，以此利于實現自動化，用時比較少，精確較高，還能夠有效避免發生野外測量錯誤狀況。

3 實例分析

明鑫煤礦至S303公路建設項目位于哈密市巴里坤縣境內，其中最高處為線路中部的莫欽烏拉山。擬建路線所經地貌為一山兩盆地，兩邊低中間為高山。路線起點的沖洪積準平原，由于山脈阻隔，使氣候炎熱，降雨量偏少，導致該處形成了類戈壁灘地貌；路線終點的沖洪積準平原，由于降雨相對豐富，氣候較為適宜，使該處形成了草原地貌。路線所經地勢起伏較大，高差變化大。這些都給外業勘測工作帶來了極大的困難。由于該項目要求時間緊，項目組決定將機載激光雷達技術運用到公路設計過程中。

項目選用動力三角翼飛機搭載RIEGL公司的VP-1系統，該系統是一款最新型的集成機載激光掃描系統，為帶狀公路測圖提供了優秀的解決方案。在工程區域沿線對道路全線進行770m、300m航高的高、低空數據采集。在高空數據采集中，主要進行大范圍DOM和大比例尺DLG生成。在低空數據采集中，主要獲取道路中心線兩側各150m范圍內的高精度、高密度激光點云數據，可直接生成精密DEM。為了對精化處理后的激光點云數據精度進行定量分析，此項目利用實地測量的300個檢查點，對激光點云數據的平面精度和高程精度分別進行了檢查，具體結果見表1，激光雷達測量的成果優于道路改擴建定測與施工圖設計的精度要求。

通過激光點云數據斷面圖，可以發現激光點云不僅能穿透茂密植被達到地面，而且可非常細致地反映出地面上的微地貌形態特征。項目可直接利用高密度、高精度的激光點云數據，按中樁距離法完成全線橫斷面三維地面線的生成工作。通過該方法不僅大大地減少了野外測量的工作量和工作強度，而且針對工程方案的變更對比可及時提供橫斷面數據，并可確保工程數量精確。

在設計過程中，根據激光雷達掃描測量的數據成果，通過建立數據交換接口的方式與CAD環境進行集成。利用緯地道路輔助設計軟件，在縱、橫斷面和平面線位等交互設計中，直接對激光雷達測量的數據成果進行動態交互，實現縱斷面的無序動態拉坡，并進行橫斷面的智能化自動設計，在可視化環境下對橫斷面的邊坡類型和橫斷面任意部分進行修改和實時顯示。利用高精度的高分彩色數字正射影像作為底圖，結合平面線位設計數據，可直接對公路改擴建設計方案的成果進行直觀形象的展示，從而進一步服務于道路改擴建工程的方案比選與優化設計。

4 結 語

該項目采用機載激光雷達系統，順利完成外業測繪工作，并提供了DEM、DOM、DLG等一系列的成果。通過工程實踐應用，即在激光雷達技術支持下不僅數據成果精度高，而且可降低外業工作強度，尤其是在戈壁荒漠等人員相對困難到達的地方，能夠大量的減少人工成本，同時又能獲取高精度的地形測繪成果，提高外業工作效率，通過數據比較其成果精度完全滿足相關規范要求。