機(jī)載LiDAR技術(shù)在公路建設(shè)中的應(yīng)用
——以喀喇昆侖公路為例

賀成成，何 偉，張倫寧，杜雁欣，魏于唐

(上海華測(cè)導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司，上海 201702)

目前公路建設(shè)中多使用全站儀、水準(zhǔn)儀、GNSS接收機(jī)作為公路數(shù)據(jù)獲取的主要設(shè)備和手段。但其作業(yè)效率低、受天氣環(huán)境影響較大，作業(yè)精度不高。在地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜或林被覆蓋大的地區(qū)，作業(yè)人員很難達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)，若遇到風(fēng)雨等天氣，則會(huì)不同程度地影響作業(yè)。在新、改、擴(kuò)建縱斷面的高程精度應(yīng)該達(dá)到±6 cm/4 cm，而上述方法無法保障。基于以上原因，LiDAR廣泛應(yīng)用于公路新建、擴(kuò)建、改建中[1-4]。機(jī)載LiDAR系統(tǒng)是利用GNSS、慣導(dǎo)及相機(jī)為激光系統(tǒng)提供空間坐標(biāo)，呈現(xiàn)高清數(shù)碼影像，現(xiàn)已應(yīng)用于林業(yè)、交通、水利等行業(yè)，應(yīng)用前景開闊[5-10]。

1 項(xiàng)目背景

喀喇昆侖公路(KKH)被稱為中巴友誼公路或帕米爾公路。作為中國(guó)和邊境國(guó)家重要通道，它是連接巴基斯坦、南亞次大陸和中東地區(qū)的唯一陸地通道。公路全長(zhǎng)1032 km，跨越中國(guó)及巴基斯坦，公路地處海拔高的險(xiǎn)峻之地。20世紀(jì)60年代KKH開始修建，在1986年5月開始使用。從地質(zhì)角度來看，公路處于亞歐板塊和印度洋板塊的交匯活動(dòng)帶，地質(zhì)活動(dòng)經(jīng)常發(fā)生，如滑坡、泥石流、雪崩、地震等，這將導(dǎo)致該路段出現(xiàn)不同程度的道路破壞，影響正常交通運(yùn)行。

2010年7月，由于巴基斯坦境內(nèi)發(fā)生洪水，該道路沿線受到洪水的嚴(yán)重破壞，為了快速對(duì)該道路進(jìn)行修復(fù)，保證交通運(yùn)行，中國(guó)政府組織并實(shí)施了“援巴基斯坦國(guó)道公路網(wǎng)N35和N55(北段)路段修復(fù)項(xiàng)目”，其中N35道路的水毀修復(fù)路段集中在KKH中段，即THAKOT-RAIKOT段，該項(xiàng)目主要對(duì)水毀路段進(jìn)行修復(fù)，但是尚有136.4 km的路段，由于常年受地質(zhì)災(zāi)害影響，存在不同程度的損害，需要對(duì)其做進(jìn)步一步的修復(fù)和防護(hù)。

為了加快項(xiàng)目進(jìn)度，確保順利完成施工前期的1∶2000帶狀地形圖測(cè)量及成圖工作，解決測(cè)區(qū)山勢(shì)陡峭、環(huán)境惡劣、人工作業(yè)不便作業(yè)效率低下等難題。經(jīng)過調(diào)研和比較，項(xiàng)目組使用上海華測(cè)導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司的AS100機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)解決上述問題，快速地為項(xiàng)目組提供了高精度位置服務(wù)，保證了項(xiàng)目進(jìn)度。測(cè)區(qū)位于東經(jīng)73°13′—74°05′，北緯35°13′—35°31′。

2 現(xiàn)有情況

項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)，山路崎嶇，多為砂礫組成的山脊，伴有沙土，可見滑坡等地質(zhì)現(xiàn)象，道路中斷，交通工具無法使用，其中有10 km左右路段屬于線路改線段，需要對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，但是測(cè)區(qū)內(nèi)復(fù)雜的地質(zhì)條件為作業(yè)帶來諸多不便。

通過勘察，綜合現(xiàn)場(chǎng)情況，擬定項(xiàng)目采用手控飛行的采集方式。作業(yè)人員通過飛機(jī)遙控控制無人機(jī)沿線路，由其他工作人員協(xié)助對(duì)地面站進(jìn)行監(jiān)控，并將飛機(jī)信息實(shí)時(shí)反饋給無人機(jī)飛手。其中，車輛能夠通行的地方全部乘車手控，而道路中斷的地方基本都靠步行方式沿線控制采集。

3 設(shè)備方案

AS100機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)是一種基于無人機(jī)搭載激光雷達(dá)的測(cè)量系統(tǒng)，集成Velodyne VLP-16激光掃描儀、GNSS、IMU(慣性導(dǎo)航單元)、同步控制單元和CCD攝像機(jī)可實(shí)時(shí)快速地獲取三維空間信息以及圖像，具有高精度、高密度、高效率的優(yōu)勢(shì)。作為新興的三維數(shù)據(jù)獲取手段，AS100可廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、隧道、橋梁、機(jī)場(chǎng)等施工管理領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)施工管理的數(shù)字化應(yīng)用。

4 技術(shù)路線

技術(shù)路線規(guī)劃分為計(jì)劃準(zhǔn)備、航飛實(shí)施、數(shù)據(jù)處理。計(jì)劃準(zhǔn)備階段首先進(jìn)行設(shè)備調(diào)試，再進(jìn)行飛行準(zhǔn)備，最后是航線規(guī)劃。點(diǎn)云的密度反映了最終成果的分辨率，而飛行高度、激光發(fā)射頻率和掃面角度是影響點(diǎn)云密度的主要因素，因此在計(jì)劃準(zhǔn)備階段對(duì)這些因素進(jìn)行規(guī)劃，才能保證飛行質(zhì)量和成果的質(zhì)量。完成以上準(zhǔn)備后，可進(jìn)行航飛。首先進(jìn)行設(shè)備運(yùn)輸存儲(chǔ)和維護(hù)，進(jìn)行飛機(jī)的安裝測(cè)試；其次進(jìn)行GNSS基站與地面匹配，完成后可進(jìn)行飛行操作與數(shù)據(jù)采集；然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理階段包括數(shù)據(jù)處理、檢查和質(zhì)量控制；最后進(jìn)行成果提交。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

5 采集流程

采集流程分為基站架設(shè)、飛行準(zhǔn)備、初始化設(shè)備配置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)拷貝。

6 數(shù)據(jù)處理

6.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理包括POS解算過程、激光處理和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換3個(gè)重要環(huán)節(jié)。其中POS解算過程生成PosT文件，可以根據(jù)時(shí)間提供所載產(chǎn)品的位置和姿態(tài)信息；激光處理過程主要工作內(nèi)容是對(duì)原始激光文件進(jìn)行解碼，轉(zhuǎn)換激光點(diǎn)坐標(biāo)，得到WGS-84坐標(biāo)中的LAS格式點(diǎn)云；坐標(biāo)轉(zhuǎn)化是指根據(jù)用戶的需求以及作業(yè)任務(wù)的要求，建立新的工程新的獨(dú)立坐標(biāo)系，將點(diǎn)云的成果轉(zhuǎn)化到新建工程的獨(dú)立坐標(biāo)系中。POS解算軟件界面如圖2所示，激光處理如圖3所示，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換如圖4所示。

圖2 POS解算

圖3 激光處理

圖4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)化

6.2 點(diǎn)云后處理

點(diǎn)云后處理主要包括點(diǎn)云抽稀、噪點(diǎn)剔除、濾波分類環(huán)節(jié)，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)分類后，除去其他干擾物點(diǎn)信息，例如植被點(diǎn)、噪聲點(diǎn)、建筑物點(diǎn)，保留精準(zhǔn)的地面點(diǎn)，同時(shí)可以提取保留地形要素的高程數(shù)據(jù)[10-14]。點(diǎn)云抽稀如圖5所示，地面點(diǎn)分類如圖6所示。

圖5 點(diǎn)云抽稀

圖6 地面點(diǎn)分類

6.3 地形圖制作

地形圖制作是指將高程點(diǎn)、等高線和地物進(jìn)行繪制。根據(jù)地面點(diǎn)描繪等高線并修改，制作高精度的數(shù)字高程模型DEM產(chǎn)品，基于CAD軟件導(dǎo)入點(diǎn)云圖，進(jìn)行地物描繪，形成完整的1∶2000帶狀地形圖[14-16]。項(xiàng)目繪制等高線如圖7所示，地物繪制圖如圖8所示。

圖7 等高線生成

7 成果展示

測(cè)繪工作完成后，可得到如圖9所示的點(diǎn)云圖，以及如圖10所示的地形圖成果。

8 結(jié) 論

機(jī)載LiDAR技術(shù)作為一種綜合的測(cè)量技術(shù)方法，與傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量在數(shù)據(jù)采集過程中相比，具有成本低、速度快、效率高等突出優(yōu)勢(shì)，特別是在三維數(shù)據(jù)采集方面具有巨大的發(fā)展前景與應(yīng)用需求。

圖8 地物繪制

圖9 點(diǎn)云成果

圖10 地形圖成果

在本項(xiàng)目中，在KKH公路沿線測(cè)量過程中使用華測(cè)導(dǎo)航AS100機(jī)載LiDAR系統(tǒng)，大大提升了數(shù)據(jù)采集效率，克服了測(cè)區(qū)地形起伏變化大、環(huán)境惡劣、人工測(cè)量危險(xiǎn)系數(shù)高等困難，在快速作業(yè)、短時(shí)間內(nèi)獲取海量點(diǎn)云的同時(shí)，使用自主開發(fā)的點(diǎn)云處理軟件完成一系列處理工作，包括點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、去噪抽稀、濾波分類等，極大地提高了工作效率。本項(xiàng)目的成功實(shí)施，證明了利用機(jī)載LiDAR進(jìn)行1∶2000地形圖測(cè)繪是一種高效率、高精度的方法，與傳統(tǒng)測(cè)量方式相比具有無法比擬的優(yōu)勢(shì)，隨著機(jī)載LiDAR技術(shù)的普及，未來測(cè)圖工作將更加高效便捷。

同時(shí)需要思考兩點(diǎn)：①對(duì)于作業(yè)面積較小的區(qū)域，由于機(jī)載LiDAR技術(shù)費(fèi)用較高，不宜在測(cè)區(qū)面積較小的區(qū)域使用該項(xiàng)技術(shù)。②對(duì)于車載LiDRA技術(shù)也應(yīng)做相應(yīng)的討論和設(shè)計(jì)，對(duì)于路況較好的大區(qū)域測(cè)區(qū)，從作業(yè)效率和降低成本方面考慮使用車載LiDAR技術(shù)進(jìn)行作業(yè)，具有一定的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)將數(shù)據(jù)采集、處理等過程集成在應(yīng)用服務(wù)軟件上，可以實(shí)現(xiàn)方便快捷高效的作業(yè)。