機載激光雷達在公路勘測及BIM設計中的應用研究

楊凱文

(華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014)

0 引 言

隨著高速公路的快速發展，高速公路建設對勘察設計企業提出了越來越高的要求，更快地提供更穩定的設計方案以及更短的設計周期都對新技術手段的應用提出了需求。勘測作為公路勘察設計項目前期必不可少的一項工作，在提供項目周邊地理環境和設計所需基礎測繪資料中發揮著重要的作用。然而傳統的測繪方式存在時間長、效率低等問題，無法應對越來越多時間緊迫的設計項目。

激光雷達作為一項新型的航空測量技術，具有快速、高效、精度高等優勢，已在一些行業得到了較為廣泛的應用。在公路勘察設計領域，近年來已有一些學者進行了研究工作。陳璞然[1]、辛恕杰[2]、晏玲[3]、張熙[4]等都對機載激光雷達技術在公路勘察設計中的應用及關鍵技術進行了研究，其中辛恕杰等[2]在文中提到機載激光雷達可用于制作真三維模型。田先斌等[5]對激光雷達航測技術用于場區測繪以及與BIM技術相結合開展規劃設計進行了探索研究。王濤[6]、徐景瑜[7]、張麗軍[8]等以山區高速公路為案例，介紹了機載激光雷達在山區高速公路勘察設計中的應用，其中王濤[6]在最后提到了機載激光雷達用于真三維和BIM設計。余飛等[9]研究了機載激光雷達測量成果與公路CAD的協同設計。余紹淮等[10]以改擴建高速公路為例，研究了基于機載激光雷達的道路標線提取和縱橫斷面自動生成技術。

可見，機載激光雷達技術在公路工程中的應用已有一些研究成果，但至今尚未形成較為成熟的應用模式，與BIM新技術的結合應用更是缺乏研究和項目實踐。為此，本文結合在公司承接的公路二三維設計項目中的實踐，對機載激光雷達在實際勘測設計中的工作流程以及成果的應用特別是與BIM三維設計的結合進行了探索和研究，最后對激光雷達技術的進一步發展方向進行了展望。

1 系統組成及工作原理

激光雷達，又稱LiDAR(Light Laser Detection and Ranging)，是激光探測及測距系統的簡稱，由激光掃描儀、全球定位系統(GPS)、慣性導航系統(INS)組成，現在大多數都集成了航空數碼相機。

激光雷達通過發射激光、記錄激光發射和返回的時間，計算發射激光器和反射物體點間的距離，結合GPS測量的激光器位置以及IMU測量的激光器姿態，得到反射物體點的位置，從而形成“點云”(帶有三維坐標的點的集合)。

機載激光雷達除了以上系統組成外，還包括承載激光雷達系統的無人機設備，不同的無人機電池容量、最大載重、續航時間、巡航速度等參數不同，不同廠家生產的還涉及穩定性等差異，這些是在設備選型時需要考慮的；同樣，不同配置的激光雷達系統如測距、頻率、精度限制等也決定了其適用的項目不同，所以設備的選型是機載激光雷達在項目中應用需要考慮的一個重要因素。

2 技術路線

公路勘察設計項目一般可分為新建工程和改擴建工程，設計階段包括工可(可行性研究)、初設(初步設計)和詳設(施工圖設計)3個階段，每個階段前期都需要相應的勘測工作。對于新建公路工程，工可階段需要測繪或獲取較小比例尺地形圖和衛片；初設階段需要初測，主要包括平面和高程控制測量以及帶狀地形圖測繪；詳設階段需要定測，主要包括路線中線測量和縱橫斷面測繪。改擴建公路工程的勘測較新建工程減少了選線測量，主要是對現狀道路測繪，包括平面、縱橫斷面和地形測繪；初測和定測內容基本相同，區別在于初測較為簡略，而定測則應詳細。

機載激光雷達用于公路勘測主要就是通過一系列的過程提供所需成果，其技術路線包括前期準備工作、外業數據采集、內業數據處理和數字化生產、精度檢測和成果應用。總體技術流程如圖1所示。

圖1 總體技術流程

2.1 前期工作和外業采集

前期工作主要包括控制測量、測區踏勘、飛行方案的確定等。

對于公路工程項目，用于機載激光雷達的控制測量一般是沿線布設若干控制點，雖然大多數LiDAR系統都已集成POS系統(定位和慣導系統的組合)，可以做到航空攝影測量中的“免像控”，但一方面要保證足夠的精度，需要提供基站點更精確的坐標(差分GPS使用)。另一方面，為了控制投影變形，特別是對于公路項目這類條帶狀工程，項目坐標系一般采用偏移了標準分帶中央經線的自定義坐標系；控制測量可提供控制點在數據采集坐標系(本文中的激光雷達設備采集坐標系為WGS84)和項目坐標系下的兩套坐標，通過計算轉換參數將采集的數據轉換到項目坐標系下。需要說明的是，控制點的布設密度和對數據成果的精度要求相關。

測區踏勘主要是提前了解飛行區域內的地形地貌、植被等環境情況，尋找合適的起飛點、規劃航線，為外業數據采集做準備，還需要注意高壓線(塔)、高層建筑物等會影響飛行的地物要素。外業數據采集前的測區踏勘對于地形和環境復雜的項目尤為重要，可以提高實地外業采集工作的效率。

飛行方案包括測區飛行航帶的劃分、飛行航線的設計以及飛行參數的計算等，方案的確定需綜合考慮項目特點、現場環境、設備配置以及對成果的要求等因素。公路項目一般為條帶狀工程，可沿道路走向劃分飛行航帶，航帶的劃分和飛行航線的設計需考慮設備一個架次可以飛行的時間，受設備續航能力和電池容量等限制，不同配置的無人機搭載激光雷達系統一個架次的飛行時間有限，這也是安全飛行需要考慮的一個主要方面。

外業采集工作包括基站的架設和觀測、控制飛行、傳輸數據等，如上所述，控制測量可提供基站點更精確的坐標，基站一般架設在當前飛行區域附近的控制點上。一個架次的飛行結束后需將采集的原始數據傳輸到本地，采集的原始數據包括原始的軌跡數據、原始的激光數據以及原始的影像等。

2.2 數據預處理

機載激光雷達的數據預處理主要就是將采集的原始數據經過一系列的處理生成標準格式(一般為LAS格式)的點云數據(結合采集的影像數據可生成真彩色)，點云數據是后續數字化生產的基礎。原始數據包括基站觀測數據和2.1中提到的激光雷達系統采集到的原始數據，具體流程包括軌跡解算(本文中采用POSPac軌跡解算軟件，具體和設備相關)、激光數據裁剪、LAS格式(真彩色)點云數據生成，如圖2所示。

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圖2 預處理流程圖

軌跡解算的原理是通過基站的GPS觀測數據與激光雷達系統的GPS數據做后差分，結合INS慣導數據，聯合解算出軌跡數據。原始采集的激光數據有些是多余的，如起飛點到航線起點、航線間切換以及返回過程采集的激光數據，對這些數據進行裁剪可減少數據量，提高數據處理的效率。使用解算出的軌跡對經過裁剪的原始激光數據進行處理，生成LAS格式的點云數據，結合采集的原始影像數據，可生成真彩色點云數據。本文所采用的預處理軟件可實現真彩色點云的同步生成，無須在先生成點云數據的基礎上，再用影像對其賦色。圖3為本文預處理的一個架次的真彩色點云。

圖3 真彩色點云

2.3 數字化生產

機載激光雷達用于公路勘測最終體現在為公路設計提供所需的勘測成果,包括地形圖、數字地面模型(DEM)、數字正射影像(DOM)、縱橫斷面數據等。機載激光雷達的數字化生產就是在預處理生成點云數據的基礎上進一步生產各類數字化成果，包括利用控制點的兩套坐標和高程將預處理的點云轉換到項目坐標系下，生產DEM、等高線、縱橫斷面、DOM和DLG等，結合外業調查可進一步生產地形圖，具體根據項目需求確定，技術路線如圖4所示。

圖4 數字化生產技術路線

生產出的數字化成果只有在項目坐標系下才具有真實的使用價值，如上所述，工程項目特別是公路工程這類條帶狀項目，為了控制投影變形，一般會采用項目獨立坐標系。控制測量可提供沿線控制點在項目坐標系下的平面坐標和高程，利用控制點在采集坐標系和項目坐標系下的兩套坐標和高程，計算轉換關系，通過坐標轉換和高程改正，將預處理生成的采集坐標系下的點云數據轉換到項目坐標系下。

DEM的生產主要是通過點云的分類、提取地面點云，從而構建出數字地面模型。點云的分類即是為每個點分配一個語義標記，將其劃分到實際的分類中，點云分類是后續數據處理的基礎。目前大多數的點云處理軟件一般是根據采集的激光數據的特征結合一定的算法對點云做分類，但都無法實現100%的準確率，還需要結合人工的檢查進行修正。從分類的點云中提取出地面點，可用于構建DEM、構造等高線以及提取縱橫斷面數據等。

采集的原始影像數據中除了每張影像的文件外還包括影像序列的時間索引文件(每張影像的曝光時間及相應的文件名)，根據前面經過解算和轉換到項目坐標系下的軌跡數據，內插計算每張影像的外方位元素，結合原始影像以及相機檢校參數，經過地面點云構建的DEM糾正，生成數字正射影像。圖5為本文生產的一個架次的DOM成果。

圖5 DOM(數字正射影像)

目前生產DLG和地形圖的軟件主要分為兩種，一種是基于正射影像的二維矢量化，另一種是直接基于點云數據的三維測圖，實際生產中，可兩者結合起到相互補充和參考的作用，提高地物矢量化的效率和精度。對于沒有采集到或者采集數據不全的區域，還需要外業調查工作輔助內業繪圖，最終形成地形圖成果。本文所采用的三維測圖軟件，可同時打開多個視圖窗口聯動作業，生產效率較高。圖6為本文生產的一塊區域的DLG成果。

圖6 DLG(數字線化圖)

2.4 精度檢測

數據成果最終的精度受數據采集和處理過程中很多因素的影響，為了確保成果能夠在項目中使用，需要對成果的精度進行檢測，參照國家或行業規范，檢驗其是否符合規范中相關規定，滿足項目對數據成果精度的要求。精度檢測一般分為平面精度檢測和高程精度檢測，實地通過傳統的測量方法分別采集一定數量的特征點的平面坐標和高程，與機載激光雷達采集和處理的數據成果進行比較，可計算出相應的精度。

《公路勘測規范》(JTG C10-2007)中對公路工程地形圖的平面和高程的精度要求進行了規定。本文采用GPS RTK方法采集了10個道路標線特征點的平面坐標，與生產的DOM上相應特征點的平面坐標相比較，經計算平面精度(中誤差)為±0.073 m，如表1所示；高程精度檢測采用四等水準測量的方法采集了13個道路路面點的水準高程，與點云中相應點的高程相比較，經計算高程精度(中誤差)為±0.048 m，如表2所示。結果表明了在未進行靶標糾正的前提下，本文采用的激光雷達設備在平原地區滿足平面≤±10 cm、高程≤±5 cm的精度要求，按照公路勘測規范，可達到1∶500地形圖的精度要求。

表1 平面精度檢測

表2 高程精度檢測

3 成果應用

機載激光雷達在公路勘察設計傳統二維設計中的應用就是通過以上技術流程生產各類成果，滿足公路勘察設計項目在不同設計階段的勘測成果需求，并進一步為設計應用服務。在BIM三維設計中的應用，目前尚缺乏參考，通過研究，取得一些成果，有望之后做進一步深入的研究和應用。

3.1 在傳統二維設計中的應用

在傳統公路測設中，通常需先獲取較小比例尺地形圖輔助前期道路選線，再人工測量大比例尺地形圖和采集縱橫斷面數據用于詳細設計，機載激光雷達技術因其高精度、成果豐富的優勢可一次性滿足兩次測設的要求[8]。特別是隨著激光雷達技術的不斷發展，而傳統測量方式效率低、環境復雜項目難以施測等，以低空無人機作為載體的激光雷達測量方式在公路測設中的應用價值體現得越來越突出。

(1)快速獲取DEM、DOM、地形圖等測繪成果，用于道路選線和方案設計(圖7)。

圖7 基于DOM的路線方案設計

(2)提供高精度的縱橫斷面數據，用于縱橫斷面設計和更精確的土石方工程量計算。公路勘測設計中斷面主要用來計算工程數量，斷面的精度直接影響工程量計算的準確性[2]。傳統勘測中，人工野外采集斷面數據，效率低、勞動強度大、不安全，采集的間距決定了斷面的精度。基于機載激光雷達的斷面提取，因點云數據采集密度大，可獲取更精確的斷面數據。

(3)提取現狀道路車道標線，用于改擴建工程的路線方案設計。

3.2 與BIM三維設計的結合

隨著信息技術的發展，目前大多數工程勘察設計企業都在向信息化轉型，BIM技術應運而生。相對于傳統的二維設計，BIM技術實現在三維空間中進行三維設計，形成三維道路模型，而機載激光雷達可直接獲取三維空間信息，生產的數字化成果可用于BIM三維設計、設計方案的比選和優化以及為BIM提供三維數字化模型。

3.2.1 提供三維地形模型，用于BIM三維方案設計

目前大多數的BIM正向設計軟件創建道路設計方案模型均需要地形和影像作為參照和依據，基于機載激光雷達技術生產的DEM和DOM可分別提供地形數據和影像數據，且精度高、清晰度好，可作為BIM三維方案設計的輸入(圖8)。

圖8 基于DEM和DOM的三維設計

3.2.2 三維真彩色點云提供三維場景，用于方案的比選和優化，輔助三維設計

經過預處理生成的真彩色點云，通過格式轉換，加載到BIM設計軟件中和三維道路模型集成展示，三維點云提供三維場景信息，可用于檢查設計方案的合理性、對多個設計方案進行比選以達到優化設計方案的目的(圖9)。

圖9 激光點云輔助三維設計

3.2.3 基于激光點云的三維建模為BIM提供三維數字化模型

BIM本身帶有三維模型可視化的含義，所以激光雷達與BIM的深入結合應用對基于激光點云的三維建模提出了需求。在傳統的二維設計中，新建公路工程設計需要二維地形圖成果，BIM三維設計則需要工程環境以三維模型作為表現形式，一方面符合三維可視化要求，另一方面作為工程環境信息的載體。改擴建工程傳統二維設計需要現狀道路的平面、縱橫斷面信息，將激光雷達技術引入則直接可創建現狀道路的三維模型，作為BIM三維設計的基礎數據(圖10)。

圖10 基于激光雷達的三維建模

4 結 語

機載激光雷達以其自身獨特的優勢，用于公路勘測設計精度好、效率高，在BIM三維設計中的應用可推動公路勘察設計企業的數字化、信息化發展，為實現數字公路和智慧交通奠定基礎。然而目前激光雷達技術在公路交通領域的應用尚不成熟，如何使其發揮更大的價值還有待進一步的研究和探索：

(1)建立基于激光雷達的公路工程三維建模流程，提高三維建模自動化水平

基于機載激光雷達的三維建模國內已有一些研究，但大多在建筑和電力行業[1,3,4,7,11]，且目前自動化水平和準確性有待提高，研究基于激光雷達技術的自動化點云分類、地物提取和三維建模是目前激光雷達技術發展的一個主要方向。

(2)挖掘激光雷達技術在公路工程不同階段更多的應用價值

本文主要就機載激光雷達在公路工程勘測和設計階段中的應用進行了研究和探討。激光雷達技術作為監測的手段之一，在公路施工階段，可監測項目區域地形和建筑物等地物的變化；公路建成，可基于激光雷達技術做竣工驗收、復核施工過程與設計的一致性；在公路運營養護階段，可監測路面沉降、道路設施變化等，以便進一步做出運營養護措施的決策。

機載激光雷達作為一項新技術，其在公路勘察設計工程中的應用還沒有出臺相關的技術規范和標準。隨著該技術的發展，相信其在公路勘察設計工程中的應用有更廣闊的發展前景[10]。