高速公路擴容項目激光雷達測量技術應用

高桃峰

（四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610000）

1 項目概況及激光雷達測量的主要任務

南充至成都高速公路擴容工程項目（勘察設計第A3標段初步勘察設計項目K67+000～K144+800）主體工程的建設里程約77.8 km，項目位于四川省德陽市和遂寧市，途徑德陽市馮店鎮等若干鎮。

該激光雷達測量工作的主要任務分為：機載激光雷達航測按1∶500的精度控制、車載掃描總體精度按照1∶100的比例尺控制以及提供已經分類的LAS格式彩色激光點云。

2 機載激光雷達測量作業流程

2.1 航線規劃及踏勘

根據項目需求，首先對作業區進行整體了解，包括作業區內的作業環境（GPS 信號遮擋情況，糾正點布設和施測方便程度，人員、設備、數據安全狀況，交通限制等）；再制定機載激光雷達測量系統作業的掃描路線、控制點和糾正點的布設方案，為該項目的航線規劃踏勘做準備。

2.2 外業數據采集

為了充分保證航測成果的質量，該數據采集使用的是中測瑞格掃描鷹HS-1600激光雷達系統，嚴格控制航攝飛行天氣條件、設備的參數設置、原始數據的存儲和運輸、原始GPS/IMU數據、激光掃描數據、數碼影像數據、地面觀測數據、飛行記錄及地面基準站參數、數據預處理成果質量以及數據后處理成果質量等技術環節；通過現場踏勘及附近控制點的位置情況確定起飛場地，最終完成項目數據的采集。

2.3 軌跡解算

通過地面基準站的GPS數據以及對機載GPS數據的差分解算，精確確定航攝過程中飛機的航跡，再與IMU數據進行耦合處理，得到飛機的姿態信息，并進行平滑處理；通過對飛行過程的姿態和位置精度的分析評估慣導作業狀態，對數據精度進行初步判斷。

2.4 DEM數據和DOM數據的制作

根據采集的基站GPS數據及航飛原始數據差分預處理解算點云數據，利用TerraSolid系列軟件處理激光點云數據和影像pos數據，進行DEM數據和DOM數據的制作；制作過程嚴格按照標準和規范的要求執行。

2.5 成果整理及提交

加強項目組織管理及協調工作，進行地物和等高線的編輯以及圖幅整飾；并經實地調繪修改，完善地形圖。

3 車載激光雷達測量流程

3.1 踏勘

該項目主要使用 HS-1600車載激光掃描系統對測區內已有的高速公路、互通匝道以及上跨道路進行數據采集和處理，經過踏勘、糾正點布設和施測以及點云和照片數據的采集與處理，生產出項目需要的各項成果。

根據項目需求，先對作業區進行整體了解，包括作業區內作業環境（GPS 信號遮擋情況，糾正點布設和施測方便程度，人員、設備、數據安全狀況，交通限制等）[3]；制定移動測量系統的作業掃描行車路線、控制點以及糾正點布設方案。

3.2 基準站控制點選點

由于該項目采用 CGCS2000 高斯投影坐標系統和 1985國家高程基準，而HS-1600車載激光掃描系統采集的原始數據為 WGS-84坐標系，因此需要將采集的點云數據進行坐標系轉換（七參數法）[2]。HS-1600車載激光掃描系統后處理軟件提供了坐標系轉換參數的解算功能[4]。使用作業區內經過檢核有效的高等級控制點進行七參數計算，七參數解算時使用與機載同一套轉換點轉換參數。地面站布設與機載地面站一致。

3.3 標靶糾正點布設與施測

一般情況下，靶標控制網布設單側間隔300 m，雙向交叉間隔150 m，互通匝道處應該分別布設在首尾段。同時，在GNSS信號受影響區域適當加密（例如在進出收費站口前后都應該增加靶標點）；在測線首尾處的兩側車道布設靶標點[5]。

考慮作業的安全性，該項目在高速公路中央隔離帶邊緣靶標糾正點布設困難，布設時采用單邊應急車道或路肩位置布設的方法，布設靶標高程糾正點的間距不低于150 m，布設平面糾正點的間距不低于300 m。由于在高速路匝道施工存在困難，因此，互通匝道首尾布設。靶標布設為十字形（如圖1所示），十字單條尺寸為 10 cm×60 cm，采取人工涂/刷白色油漆的方式確保點的穩定，測量腳點在十字形的中心點，便于內業數據的處理識別，需要對靶標糾正點進行編號并在現場標記，存取奧維位置，靶標糾正點的平面坐標施測采用GPS-RTK的方式，簡易三腳架對中桿架設平滑60 m得到，高程采用電子水準儀四等水準進行施測。

3.4 車載激光掃描系統外業數據采集

3.4.1 數據采集準備

地面站開機后，車載雷達系統開機做慣導初始化校準。

3.4.2 掃描作業

由于實際采集路況復雜多變，因此，在行車掃描路徑設計完成后，需要到實地沿設計路徑模擬采集，要特別注意一些特殊路段（例如岔路口、單向路以及與設計中不一致的路段）并及時做好記錄。模擬采集完成后，根據實際情況對設計的行車路徑進行針對性地調整，以實現最優化的結果。正式掃描時，駕駛員只需要注意車速，不需要時刻注意路線，完全按照導航軌跡指示行車，進而提高了作業效率。

在外業數據采集時，應該將確認修改后形成的數據采集路線規劃結果導入導航器中，作業時嚴格按照預設路線完成數據采集，避免重復和遺漏，提高作業效率。有突發情況（例如封路、新增限高和限行等）時，需要根據實際情況就近結束作業或者臨時改變采集路線；內業處理時再調整、更新導航數據文件。

在實際作業時，掃描車應該開啟雙閃模式，盡可能地減少其他車輛或者移動物體的遮擋，避免出現數據盲區。除了初始化和結束化以外，規范的掃描作業對結果也有顯著的影響，因此在實際掃描作業時應該注意以下6點：1） 根據路面情況（是否存在中央隔離帶、道路寬度等）決定采取單向掃描或者雙向掃描，掃描作業時車行速度控制在80 km/h左右。2）在掃描作業時，作業車不得隨意變動車道，盡可能地減少變道次數。3） 掃描時，減少與同向車輛并排行駛的時間，避免出現遮擋。4） 掃描作業時離基站最遠不能超過15 km。5） 單次掃描作業時間不能超過3 h。6） 遵守其他高精度作業的規范和要求。

3.4.3 掃描數據整理

移動測量系統采集的原始數據量較大，主要包括點云數據、基站和流動站數據以及IMU數據等。每天完成掃描作業后應該及時將數據拷貝至電腦中并進行備份，根據情況每天清理系統中各個設備的存儲空間，以確保第二天的正常作業。

3.5 內業數據處理

完成外業采集數據整理后，應該及時進行數據解算和精度評定，確保采集數據的有效性，對不合格的數據應該及時補充采集。將已經采集完成且有效的軌跡導出到基礎底圖（例如DOM ）中，便于查漏補缺和修改外業數據采集計劃。

3.5.1 軌跡解算

在進行組合導航數據解算前應該開展格式轉換、數據預處理等準備工作。數據準備就緒后，使用導航解算軟件PosPac MM8.1進行解算。解算完成后，應該使用軟件自帶的精度評估功能對解算結果進行初步判斷，當最大偏差超過限差時，應該調整關鍵參數進行嘗試解算；多次嘗試后誤差仍然較大時，應該對其原因進行分析并采取進一步的措施，例如換用IE軟件進行組合導航解算，當2款軟件解算精度均較差時，應該重新采集數據。當結果符合預期精度時，就可以導出組合導航解算結果，以備后續解算點云數據時使用。

3.5.2 點云處理

軌跡解算完成后，生成WGS84坐標系統的點云初始數據，然后使用七參數轉換將點云坐標系統轉換至目標坐標系。

圖1 靶標樣式及測量方式

3.5.3 靶標糾正

使用靶標成果檢查點云成果高程平面精度，如果精度超限則需要進行靶標糾正。靶標糾正采用TerraSolid點云后處理軟件，平面使用四參數分段糾正，高程使用擬合糾正。

4 航測精度檢查

4.1 檢測方式

“成南高速公路擴改建項目”數據精度評估采用RTK作業方式，為了保持檢測點坐標與激光點云坐標系統一致，以解算激光點云數據的基站為基準進行檢測點的數據采集。

采集的數據分為高程檢查點和平面檢查點，用這2類點分別對該項目的高程和平面進行精度評估。

檢查點采集工作，擬以測區中線為基準，均勻分布，采取多地形，多地物，以全面客觀的評價項目數據精度情況，在實際作業情況中，根據測區的特點，交通狀況，采集檢查點如下。

4.2 高程精度檢測

該項目外業共采集938個高程檢查點，除去斜坡及明顯粗差點（RTK信號為浮點時獲取值），可用938個地面高程點。高程點檢查使用點云處理模塊TerraSolid自動檢測938個高程點數據生成激光點云、空三解算DSM高程精度報告，采集點與激光點云、空三解算DSM對比。

根據點云高程檢查結果，將高差的絕對值分為0 cm～5 cm（含5 cm）、5 cm～10 cm（含10 cm）以及＞10 cm 3檔，經統計得到結果，如圖2所示。

圖2 點云高程精度統計

根據DSM高程檢查結果，高差的絕對值分為0 cm～10 cm（含10 cm）、10 cm～20 cm（含20 cm）以及20 cm～25 cm 3檔，經統計得到結果，如圖3所示。

圖3 DSM高程精度統計

4.3 平面精度檢查

在實地檢測時，選擇不同地形和不同高程的點實測，從而分析地形狀態對成果精度的影響。檢測對象包括圍墻轉角、四角方形建筑以及硬質地面明顯轉角處等容易在影像上分辨的地物，該測區共計外業實測1251個檢查點。

平面檢查主要通過實測地物與影像及點云的地物進行對比，通過肉眼辨別地物會存在的偏差，因此對比結果也會存在一定的誤差。該實測使用ARCGIS軟件及terrsolid軟件將實測地物坐標點與點云及影像上地物進行對比。

根據點云平面檢查結果，將精度分為0 cm～10 cm（含10 cm）、10 cm～20 cm（含20 cm）以及20 cm～30 cm 3檔，經統計得到結果，如圖4所示。

根據影像平面檢查結果，將精度分為0 cm～10 cm（含10 cm）、10 cm～20 cm（含20 cm）以及20 cm～30 cm 3檔，經統計得到結果，如圖5所示。

圖4 點云平面精度統計圖

圖5 影像平面精度統計

4.4 精度評價

該測區激光雷達航測工作，數據成果各項精度指標滿足《合同》及規范的要求，各種數據齊全正確，資料整理完整，符合相關國家規范，成果質量合格。

5 結語

激光雷達測量技術是當代科技發展的必然產物，是數字化、信息化、互聯網相互結合、彼此作用的高性能集成系統，在高速公路擴容項目中此項技術優點很多，應用廣泛，隨著專業人員的深入研究，激光雷達測繪技術逐漸成熟，也會被應用到更多的領域，而在工程測繪中的應用給測繪的效率和質量帶來了質的飛躍，也在一定程度上促進了我國工程測繪工作的快速發展。