實例探析機載激光雷達技術在工程測量中的應用

鄧清福

摘 要 機載激光雷達技術為空間測量技術，將激光掃描技術、GNSS技術、INS技術、攝影測量技術進行有效融合，通過將其應用于工程測量中，不僅測量效率高，而且可保證測量精度。對此，本文首先對機載激光雷達技術的應用流程進行介紹，然后以某高速公路工程項目為研究對象，對機載激光雷達技術在工程測量中的應用方式進行深入研究。

關鍵詞 機載激光雷達技術;流程;工程測量

引言

現如今，我國交通事業發展迅速，公路工程項目建設數量和規模均不斷增加。有些公路工程項目建設區域地形復雜，為保證施工的順利進行，要求做好施工前勘察設計中的測量工作，為工程項目設計提供可靠依據。傳統的地形圖分析方式無法準確描繪復雜的地形地勢條件，對此，可利用激光探測與測量技術（LiDAR），保證測量精度。因此，對機載激光雷達技術在工程測量中的應用進行深入研究意義重大。

1 機載激光雷達技術概述

1.1 機載LiDAR系統工作流程

在機載激光雷達技術的應用中，在飛行器上可安裝LIDAR、GNSS以及IMU，機載LiDAR系統可發射受控激光，當激光照射至測量目標后，即可獲得測量目標的三維坐標數據信息，通過利用系統進行數據處理，即可將工程項目測量資料與植被、地表的測量資料相分離，進而獲得數字地形模型以及數字表面模型。機載LiDAR系統工作流程如圖1所示。

1.2 數據獲取流程

LiDAR數據指的是從采集目標體所反射回的激光束信號，在激光束的反射過程中，可能會經過多次翻身，因此，LiDAR會獲得大量的數據點。在機載激光雷達技術的應用中，要求利用飛行設備搭載測量系統，因此，需結合實際情況制定完善的飛行方案，選擇適宜的飛行平臺。在利用機載LiDAR設備進行工程測量以及測量數據信息采集時，應關注系統的各項指標，包括飛行高度、高程精度、掃描方式、掃描角、平面精度等。

1.3 機載LiDAR數據處理

（1）激光數據預處理流程

在利用機載LiDAR獲得GNSS數據、攝影數據等各類數據類型后，可對數據進行預處理，進而有效提升數據精度。

（2）激光數據后處理流程

對于LiDAR數據，可采用密集三維坐標，要求對各類數據進行高效分類處理。現如今，對于LiDAR數據，一般采用濾波分類技術，如果利用傳統的濾波算法（TIN），則可在此基礎上利用信息技術，提升濾波精度和效率。在分離地面點時，可利用三角網濾波算法[1]。

1.4 數據成果制作

數字高程模型（DEM）指的是在測量平面內平面坐標以及高程的數據集，可準確反映出測量范圍地貌形態特征。對于測量區域地形地貌，可利用小采樣間隔的DEM表達，對于范圍較大的測量區域地形地貌，可采用較大采樣間隔DEM表達。LiDAR點云數據的密度比較大，對此，可提取出關鍵點信息形成DEM。通過利用DEM所獲得的數據，能夠有效滿足正射影像制作過程中數字微分糾正，進而有效提升測量精度。

2 某高速公路工程概況

某高速公路線路全長77.2km，線路沿線主要為山區，植被茂密，并且地勢地形條件復雜。在高速公路工程項目設計施工前，首先需對勘察設計區域進行線路測量，在本工程項目勘察設計中，綜合考慮了實際情況，采用機載激光雷達技術對擬建高速公路沿線進行空中掃描。機載激光雷達技術可穿透植被，并且測量精度高，因此符合工程項目測量要求[2]。

3 機載激光雷達技術實施方案

在本工程測量中，采用載人飛機，并搭載機載激光雷達系統。在航線設計中，為減少誤差累積，將整個測量區域劃分為4個飛行區，在線路中間位置設置地面基站，可對機載POS數據進行解算。在本工程測量中，飛行2個架次，共15條航線，飛行相對高度1.5km，掃描開角45°，激光點旁向重疊度在50%以上，激光發射頻率300KHz，激光發射頭掃描頻率30Hz，點云密度4點/m2。高速公路測量流程如圖2所示[3]。

4 工程測量數據處理

4.1 數據預處理

在應用機載激光雷達技術進行某高速公路測量中，可產生很多數據類型，包括原始點云數據、機載POS數據、GNSS數據以及各類影像數據。在對點云數據進行預處理時，首先需對機載POS數據進行解算，并對點云精度、點云航帶匹配等進行檢查。在數據處理中，航帶間誤差處理至關重要，要求必須保證同名點三維坐標的一致性，這樣才能夠保證數據處理精度。

（1）POS數據解算。在對POS數據進行解算時，采用POSPac商業軟件，在數據解算完成后，要求高程精度以及平面精度應分別優于5cm、10cm。

（2）點云航帶平差匹配。在航帶平差匹配中，可采用束法區域網平差計算方式，要求經過數據處理后，各個架次之間以及架次內的匹配精度應優于10cm。

（3）點云精度檢查。在應用機載激光雷達技術前，首先在測量區域地面設置十字地表，采用RTK技術確定三維坐標，然后與激光點云進行比較分析，即可確定激光點云精度。本工程測量精度如表1所示。

4.2 基準轉換

在利用機載激光雷達技術進行工程測量時，所獲得的數據均可利用WGS84坐標系表示，并利用UTm投影，同時應用大地高系統。在本次工程測量中，采用2000國家大地坐標系、1985國家高程基準，對于WGS 84坐標系中的激光點云，應轉換至2000國家大地坐標系、1985國家高程基準中，具體計算公式如下：

在上述公式中，Δx0，ΔY0，ΔZ0分別指的是3個平移參數，另外，εx，εY，εZ分別指的是3個旋轉參數，m指的是尺度變化參數。

4.3 點云濾波處理及DEM構建

通過應用機載激光雷達技術，能夠獲得詳細的地面三維信息數據，在某高速公路工程設計中，設計人員需將地面點數據作為參考依據，對此，對于點云，需進行濾波處理，保留地面點數據，同時構建DEM，并據此制作DOM、DLG以及縱橫斷面。在本工程測量中，通過利用點云數據，可制作出數字高程模型，如圖3所示。