無人機載LiDAR掃描技術在沙漠區域公路工程測繪中的應用

李 堅

（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830002）

0 引言

隨著國家一帶一路戰略的實施，新疆加快了南北疆公路干線建設。新疆存在很多無人區，基礎設施項目實施起來難度很大，特別是前期的測繪工作，交通條件極差，作業環境極其惡劣，采用人工實地測繪方式，花費成本很高，同時也存在一定的危險性。隨著測繪新技術的發展，無人機載LiDAR掃描技術已經非常成熟，由于其具有高效率、高精度、低成本、不受地形條件的限制等優點，因此廣泛應用于測繪領域中；而高精度的精化水準面模型建立，GNSS高程測量精度提高，也為外業高程測量減少了工作量。如何將新興的測繪手段與項目實際情況結合起來，制定適宜的作業方案，提高測繪工作效率和產品的精度，降低作業人員的勞動強度和生產成本，需要測繪人員不斷去摸索方法、總結經驗。

1 無人機航測系統

無人機載LiDAR掃描系統由無人機平臺系統和激光雷達掃描系統（LiDAR）組成，無人機平臺系統一般選用垂直起降方式，通過旋翼提供升力，通過螺旋槳提供前進驅動力，具有姿態穩定性好、抗風能力強、續航能力強、安全系數高特點。激光雷達掃描系統包括GNSS、IMU、全畫幅相機、激光掃描儀等設備。通過無人機駕駛飛行器技術、遙感傳感器技術、通信技術、GPS差分定位技術和遙感應用技術組合應用，以無人機作為飛行載體，利用激光雷達掃描系統高速旋轉的高頻測距激光頭掃描得到以掃描中心為基準的三維坐標信息，GNSS采集高精度的定位數據，IMU則獲取高精度姿態數據，激光掃描儀則同步、快速、準確地獲取空間三維信息且激光雷達脈沖能穿透樹林遮擋，直接獲取森林地區地表的高精度三維信息。采用無人機載雷達掃描采集地面點數據是一種集生產效益高、獲取數據精度高、全天候作業、直接獲取測區DEM和DSM、作業人員安全保障性高等眾多優點的新型測繪作業模式，不受地形條件的限制，高速獲取地面模型點云數據；雷達掃描的免像控技術，通過架設數量較少的基站，替代大數量的外業像控點施測，從而大大減少外業工作量，提高工作效率。

2 精化水準面模型

地球表面、似大地水準面及參考橢球面是3個并不平行的曲面。利用GNSS方法測取的高程為大地高，其基準面是參考橢球面；利用水準測量方法獲得的高程為正常高，其基準面為似大地水準面。建立精化水準面模型原理：通過獲取測區分布均勻的離散點獲得離散點似大地水準面，通過測區的重地測量，利用大地測量學方法，求得格網重力似大地水準面，最后通過球冠諧函數，將這些離散點似大地水準面與格網重力似大地水準面進行擬合，可得到似大地水準面的精化模型。隨著現代測繪技術的發展，建立的精化水準面模型精度越來越高，而厘米級似大地水準面模型的建立已經可以改變部分傳統高程測量作業模式。精化水準面模型的應用，可以大大減少在水準測量工作，特別是在通行條件困難地區，可以大大提高工作效率。

3 應用實例

3.1 測區概況

塔克拉瑪干沙漠是中國最大的沙漠，位于新疆南疆塔里木盆地，俗稱“死海”，維吾爾語“不可跨越”的意思。擬建公路項目區位于塔克拉瑪干沙漠南部腹地，南起G315線南屯鎮，北至塔克拉瑪干沙漠中心塔中鎮，全長151.7 km，呈直線狀穿越塔克拉瑪干沙漠南部腹地，沿線地表均為裸露沙地，植被稀少，沙漠區交通條件惡劣，測區東北方向是塔中鎮至且末縣沙漠公路，西北方向是塔中鎮至民豐縣沙漠公路，南側是G315東西貫通，西南側有安迪爾鄉的沙漠公路抵近線路中部區，測區地理位置及交通情況如圖1所示。承接項目時間是2019年12月底，限期50天完成。主要測繪內容：一是施測測區大地控制網，為公路測繪及施工提供空間位置基準；二是測繪寬1200m的1︰1000比例尺帶狀地形圖，供擬建公路選線使用；三是測量選定線路的縱、橫斷面，為路線設計提供基礎數據；項目的難點：一是測區為移動沙漠區，交通條件極其困難，沙漠專用車都難以逾越，人員更無法穿越；二是承擔項目時間正值12月底，測區最低氣溫達零下19℃，測繪人員無法野外露宿；若采用常規的測繪方法，這是一項無法完成的測繪任務。

3.2 技術方案設計及實施

技術路線：由于項目測區為移動沙漠區，地表均為軟沙地覆蓋，植被稀少，通行條件極差，適用無人機載雷達掃描作業。作業關鍵步驟有以下4步：第一，因地制宜布設、施測大地測量控制網，并求得點云數據坐標轉換參數；第二，利用機載雷達掃描采集測區地表點云數據；第三，對點云數據進行DGPS和IMU/GPS解算、大地定向等處理；第四，利用點云數據繪制1︰1000地形圖，提取公路縱、橫斷面數據。

根據機載雷達在掃描作業時需要在地面已知點架設基站，滿足基站至機載雷達掃描系統距離不超過50km。根據測區周邊的高等級國家水準點分布位置，在擬建公路線路附近、人員能到達位置加密線路控制點，形成覆蓋測區首級控制網，如圖1所示，平均邊長約46km。平面控制測量：采用九臺天寶GNSS接收機，以靜態測量方式同步觀測，考慮到基線較長，觀測時間設定為大于或等于240min，觀測數據與新疆CORS網數據并網解算，平差過程加載新疆南疆區域似大地精化水準面模型，可以計算得到控制網的WGS84坐標系成果和CGCS2000坐標系和85高程基準的成果，利用這兩套坐標成果可以求取得到點云數據的轉換參數。高程控制測量：對加密控制點ST01、ST03、ST04進行直接四等水準測量，得到加密點四等精度高程成果。利用已知點的高程成果，一是可以檢核精化水準計算成果的精度情況，二是可以再次優化區域轉換參數精度。

圖1 測區位置及方案布設圖

數據采集采用大疆CW30無人機掛載RIEGL激光雷達系統通過掃描方式獲取， 按式=·/（為相對航高，為地面分辨率，為相機尺寸）可計算出相對航高為280m，航線間隔為450m（航帶重疊度按30%計算）。設計航帶數為4條，設定激光掃描密度為5點/m~6點/m。為提高采集數據的大地定向坐標精度，在航攝過程中，在測區兩端地面架設ST01、ST04雙基站。由于線路較長且測區中部區域人員及車輛無法到達，起飛點選擇兩處，一是選擇南屯鎮北側5km的路邊，從南往北飛行，從起飛點向北飛行距離80km進行數據采集；二是選在測區北側塔中鎮往東南方向30km的沙漠公路邊，從北往南飛行80km進行數據采集；南、北兩片飛行區重疊區為5km。機載雷達激光掃描作業流程如圖2所示。

圖2 機載雷達激光掃描儀點云數據采集作業流程圖

數據處理包括以下內容：a）MU-GPS數據聯合解算。2臺GPS基準站間距在30 km~50 km，合理布設地面基準站可有效減少大氣誤差、電離層延遲誤差、對流層延遲誤差等，流動站安置在飛機上，將基準站和流動站的采樣間隔均調設成1″，待航攝作業正常完成后，下載基站數據、流動站數據及MU數據，并進行聯合解算，求出每個掃描點的外方位元素及其航跡線。b）激光數據處理。激光數據下載后首先對激光數據進行檢校消除，加入原始點云的條帶數據，并加入軌跡文件，將軌跡號與航帶號進行匹配，去除重疊部分的點云數據，利用測區區域轉換參數對激光數據進行平面及高程融合（大地定向）。對不滿足要求的區域進行人工外業實測，補測高程信息，或采用同期數碼影像基于立體像對補測特征點、特征線。c）點云數據的提取。對激光點進行分類處理，提取地面點的點云數據。成片茂密植被區域點云數據的處理，利用激光脈沖穿透性，地面點和非地面點形成上下兩層，通過設置參數來自動濾波，除去大部分非地面點數據，再對自動濾波后數據進行人工檢查，對個別區域進行精細處理，以去除剩余明顯高于地面的植被點云數據點，經過處理后的點云數據為凈地面點點云las數據。

該項目測區沙漠區，使用清華三維公司的eps軟件自動生成等高線、提取地面高程點功能，設置等高線基本等高距為1.0m、提取高程點密度為20m/點，利用點云數據生成等高線、提取高程點，編輯生成1︰1000地形圖。由于點云數據高程點密，利用點云數據生成地等高線更加精確，更加逼近真實地形。

斷面提取分三步：第一，確定擬建線路導線，根據地形圖判斷沙包的分布位置及地形起伏情況，按照公路選線規則，選定擬建線路的走向、繪制出線路導線圖；第二，設定路線導線起點、拐點及終點，設置好路線拐點的曲線要素值，如拐彎半徑、緩和曲線長值、圓曲線長值等以及路線縱斷面間距，利用軟件在點云數據上自動完成縱斷面數據提取；第三，設定提取橫斷面樁號與縱斷面樁號一致、橫斷面寬度，橫斷面點間距，在點云數據上自動完成提取橫斷面成果。

為驗證采用新技術方法測繪成果的可靠性，項目案例采用傳統的RTK測量方法，實地外業采集數據對點云數據、地形圖、斷面數據數據進行檢核、點位精度分析及誤差分布統計，可求出本次激光作業的點位誤差精度和高程中誤差精度。精度統計情況見表1。

表1 點云數據成果與RTK測量數據精度比較統計

4 結語

本次測繪任務利用高新測繪技術組合手段，在極端地形及天氣條件下快速、精準地完成了測繪任務，并采用常規的測繪手段對作業成果進行檢查驗證，確保測繪成果的可靠性。項目案例證實采用無人機激光雷達采集地形點的作業方法完全可以達到常規儀器測量的精度，完全可以滿足公路勘測設計對地形地物點基礎數據的需要。同時項目工期從原計劃50天縮減到實際用時31天，縮短了工期，降低了成本，獲得了很好的項目效益，同時降低了測繪外業人員的工作強度及危險性。該文旨在總結項目經驗，為荒漠無人區實施類似工程測繪項目提供一定的經驗及參考。