輕型機載激光雷達航測在公路勘測設計中的應用研究

邱澤瑋

（中晟地理信息有限公司，湖北 武漢 430070）

機載激光雷達（LiDAR）測量系統是集激光測距技術、GPS 技術和慣性導航（INS）技術于一體的集成技術，是當今勘察測量業(yè)界最先進的技術。隨著無人機低空航測技術的廣泛應用，將輕小型激光雷達測量系統搭配無人機航測設備進行工程勘測，兼具效率、精度及勘測成果的多元化。利用該技術可以實現高自動化、高機動性勘測，且成果生產的周期相對較短，測繪成果精度較無人機普通數碼航測高[1]。在成果種類上，與傳統野外勘測相比，能額外提供數字表面模型（DSM）、數字高程模型（DEM）、數字正射影像（DOM）及高精度點云。因此，在公路勘測設計中，為了提高勘測作業(yè)效率、提供多元化的勘測成果，要強化對輕型機載激光雷達航測技術的應用。

1 工程概況

1.1 測區(qū)概況

本文以南京至鹽城高速公路工程勘察設計項目NY-SJ-2 標為試驗對象。NY-SJ-2 標從高郵南（截止到京杭運河特大橋橋尾）至鹽靖高速（含鹽靖樞紐）約58 km。高郵—興化區(qū)段地貌區(qū)為里下河淺洼平原區(qū)，地貌單元為淺洼平原。測區(qū)范圍如圖1 所示。

圖1 測區(qū)范圍

1.2 項目任務

項目任務包含四個部分：基站聯測、參考面測量；機載LiDAR 航空攝影；數據處理（點云數據處理以及1∶2000 比例尺DSM、DEM、DOM 制作）；1∶2000 地形圖（DLG）制作。

2 項目實施的關鍵技術及設備

2.1 LiDAR 技術

機載激光雷達測量系統涵蓋很多現階段較為先進的技術，包括激光測距技術、GPS 技術及慣性導航(INS)技術等。將這一技術應用在公路勘測設計工程中，目的就是獲取高精度的數字表面模型，保證勘測效率和精度。

本項目中，激光雷達測量系統采用SkyEye 天眼激光科技有限公司的SE-J500C 系統（如圖2 所示），它集成了激光掃描儀、慣導系統及數碼相機，其中，數碼相機為Sony A7R；慣導系統型號為Applanix POS/AV 系列，采樣頻率100Hz；激光掃描儀的型號為RIEGL_VUX_1UAV，最大脈沖頻率550KHz，掃描角度330°，飛機采用北方天途航空技術發(fā)展有限公司的M6FC6 旋翼無人機（如圖3 所示）。

圖2 SE-J500C激光雷達航測系統

圖3 天途M6FC六旋翼無人機

2.2 LiDAR 航空攝影

航攝要嚴格按照要求執(zhí)行，如果出現絕對漏洞或其他嚴重缺陷需要補攝[2]。漏洞補攝時要結合以往的設計航跡開展工作。對于不影響內業(yè)加密選點和模型連接的漏洞，只需補攝漏洞即可，實際航線如圖4 所示。

圖4 實際航攝航線

2.3 激光點云分類

（1）利用TerraSolid 軟件濾波（分離地面點和非地面點）：該軟件基于不規(guī)則三角網原理，通過設定參數閾值進行濾波。其主要的參數設置項為：Max building size、Terrian angle、Iteration angle 等，閾值大小取決于測區(qū)的地形以及植被的高低、密度等。 （2）將分離出來的非地面點進行細分：根據點的高度、分布的形狀、密度、坡度等特征，對非地面點云進行分類。對于形狀規(guī)則、空間特征明顯的地物（如建筑物、電力塔等），可通過參數設置，利用軟件自動提取。同時，采用人機交互方式輔助分類。也可利用基于反射強度、回波次數、地物形狀等的算法或算法組合，對點云數據進行自動分類。

2.4 精度要求

DOM 不能有任何噪聲、污點、劃痕等，點云數據密度應大于1 個點/平方米。數字地面模型精度要求是 ：路線橫斷面數模提取精度應滿足平面精度≤10 cm，高程精度≤5 cm。被交道路采集精度要求是：被交道路需按要求提取道路兩側邊線、行車線等路線元素，提取精度應滿足平面精度≤5 cm，高程精度≤3 cm[3]。

3 數據處理以及成果制作分析

3.1 LiDAR 數據處理流程

應用輕型機載激光雷達航測系統，針對數據處理層面，要按照LiDAR 數據處理流程（如圖5 所示）進行。

圖 5 LiDAR數據處理流程

（1）針對導航文件制作。依照實際情況對POS 姿態(tài)數據進行應用，同時聯合應用地面GPS 基站數據共同處理，以獲得相對精準的導航數據文件，提升測量效果和水平[4]。

（2）針對控制文件制作。在制作控制文件時，應嚴格檢查，明確是否存在漏飛現象。然后結合覆蓋數據，采用科學手段制作控制文件。

（3）針對三維激光點云坐標計算。科學處理原始激光數據，確保其可以成為原始的三維激光點云數據。然后結合數據所測得的平面和高程控制點，對二者進行校正，以精準計算出地表目標物的空間三維坐標。

3.2 DEM 制作

通常情況下，DEM 是用激光數據的末次回波生成的，制作流程為：（1）格網化。依照點云的坐標值，根據一定的點間隔，將經過校正的點云數據插入規(guī)則格網中。然后劃分點云數據，將其分成多個大小的圖幅[5]。（2）填補小縫隙。結合實際對經過格網化的點云數據進行填充處理，可以用周圍點的灰度值填充影像中的小縫隙、小黑洞，提高高程值，確保沒有任何黑洞現象。（3）生成浮雕影像。利用相應的技術手段，讓處理完成的數據生成浮雕影像，以便后續(xù)生成三維模型，直觀反映地表實際。（4）過濾。填充、去粗點工作結束后，還要進行過濾處理。過濾時，要先進行過濾參數試驗，只有選好過濾參數，才能過濾好，進而保證數據成果質量，減少手工工作量。過濾參數試驗結束后，將參數應用于所有過濾命令中。（5）手工編輯。過濾后影像上有很多黑洞，大多是過濾掉地物遺留下來的，一般應用程序無法將其過濾干凈，需要人工干預。（6）內插。要想徹底清除影像上的黑洞，應進行內插處理，利用黑洞周圍的高程點，將黑洞內插上，保證地面具有較強的平坦性。（7）裁剪重疊區(qū)。內插結束后，需要剪裁每幅影像邊緣的重疊部分，最終生成DEM 模型。

3.3 DOM 制作

首先，DOM 制作要進行正射影像校正，利用生成的DEM，合理地對外業(yè)采集的影像進行微分對糾正，以便在短時間內生成單幅正射影像。其次，要進行勻色。將獲取的影像導入Inpho 軟件，實現對正射影像的勻色處理，確保影像整體顏色協調、勻稱。再次，需要對編輯鑲嵌線進行合理制作。最后，進行影像分幅制作，最終生成正射影像DOM[6]。

4 結束語

在公路勘測設計中，利用輕型機載激光雷達航測技術，可以實現高自動化、高機動性勘測，且勘測效率高、成果生產周期較短，測繪成果精度較高。然而，該技術雖較為先進，但要想廣泛應用于公路勘測設計項目，還需出臺相應的技術規(guī)范和標準，強化應用研究。