公路工程中機載激光雷達技術的應用探討

吳興禮

（廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

隨著國內交通事業的迅猛發展，我國公路的建設規模不斷擴大。公路項目經常會遇到一些地形復雜的區域，為確保設計、施工等環節的順利開展，就要切實做好前期勘察、設計、測量等工作，進而為工程的順利開展提供可靠的依據[1]。以往的地形圖分析法無法對復雜的地形地勢進行精確有效的描繪，因此要加強對機載激光雷達技術的應用，從而提高測量工作的效率與精度。

1 機載激光雷達技術的應用要點分析

1.1 工作流程

在機載激光雷達技術的應用期間，需要結合工作要求在飛行器上合理安裝激光雷達以及全球導航衛星系統（global navigation satellite system,GNSS）、慣性測量單元（inertial measurement unit,IMU）等。機載激光雷達系統能夠發射受控激光，在激光照射到相關的測量目標之后，便能夠得到擬測工程或路線的三維坐標信息。通過對坐標數據進行處理，就能將測量資料以及現場存在的植被、地表等信息進行分離，得到現場的數字地形、表面模型。圖1為激光雷達系統的工作流程。

圖1 激光雷達系統的工作流程

1.2 數據獲取

數據采集流程主要包括以下步驟：①選擇適宜的激光雷達系統。②選擇可行、合理的飛行平臺。③現場控制測量，在此期間要做好航線的合理規劃。實際應用期間，對于激光雷達系統、飛行平臺的選擇較為簡單。但是，如果測區內的地形相對復雜，就需要結合現場的實際情況做好控制測量、航線設計等工作，進而提高測量精度與效率。

在開展基礎控制測量工作期間，需要在沿線范圍內按5 km的間隔距離合理布設平面、高程控制點。為提高測量工作的精度，還應對公路兩側的實際情況進行分析，并按一定間隔距離合理設置平面、高程控制點。為提高平面控制點的識別效果與精度，應盡可能選用和路面標線保持一致的涂料進行涂繪等工作，將激光點云間隔距離作為設計過程的依據，并通過精確的計算之后進行確定。

在開展航線設計時，要將公路工程路面情況與精度要求作為參考依據，同時對選定的激光雷達系統進行分析，結合現場實際特點，合理確定現場激光點的布設位置與密度[2]。在開展工程現場的航線規劃時，還要采用高空與低空相結合的方式，做好現場的數據采集。其中，高空數據的采集應做好公路兩側范圍內影像的獲取工作，還要形成精度較高的地形圖，這就要求提高航線設計質量；低空數據則可以沿著公路中心線進行采集，這一過程對航線的設計基本沒有特殊要求。

1.3 數據處理

通過應用機載激光雷達掃描測量技術，可以直接獲取到現場的點云數據，這些數據有較高的精度、密度要求，如果不對其進行處理，則無法將其應用到實際的工程中[3]。因此，做好對已獲取數據的處理具有重要的意義。數據處理可以分為預處理、坐標轉換以及分類處理。數據經過預處理后便能得到大地高系統，但是公路工程所需要的是工程坐標系，因此應當對坐標進行轉換。除此之外，為提高數據的精度，應當對重點數據進行精細化處理。在這一過程中，首先需要借助基礎控制點對預處理之后的數據進行轉換，使之形成工程坐標系；再利用路面控制點，對點云數據中的平面、高程等數據進行轉換，如此一來，便可以得到滿足公路工程設計、施工的點云數據。數據處理流程如圖2所示。

圖2 數據處理流程

1.4 數據成果制作

通過應用機載激光雷達技術，不僅能夠獲取點云數據，同時還能提高數據的密度、精度[4]。應用數碼相機等先進采集設備，使所獲取的數字影像效果更好。借助該項技術對獲取的數據進行處理，能夠生成多種類型的數字化產品，如數字高程模型（digital elevation model,DEM）、數字正射影像圖（digital orthophoto map,DOM）、數字線劃地圖（digital line graphic,DLG）以及地面線等。①對數據進行分類處理，將地面點作為參考依據，進而提取末次回波所對應的相關點云數據。在此期間，還需要進行網格化處理、檢查以及粗差點的去除等工作，最終生成DEM。②通過應用IMU數據以及GPS解算成果，并對兩者進行聯合處理，就能獲得與航跡線相關的數據文件，再通過對外方位元素進行校正與處理，就可以將DEM和影像作為數據，進而生成DOM。③結合上述操作以及獲得的數據，對外業測繪資料進行分析，便能生成地面線與DLG。

1.5 應用優勢分析

機載激光雷達技術作為一種新興的測繪技術，具有較多的優勢：①相比以往的航空攝影測量和人工測量，機載激光雷達技術的應用效率更高。機載激光雷達技術作為一種主動式測量技術，在開展外業工作時，對自然條件的依賴性較低，不易受到現場天氣、山區地形等因素的影響，并且滿足全天候工作的要求。②隨著機載激光雷達技術的廣泛應用，相關的配套硬件、軟件設施更加完善，因而在開展內業、外業中的數據處理工作時速度更快、周期更短[5]。③機載激光雷達技術采集的信息數據精度更高。由于激光具有極高的方向指向性特征，使該技術具備很高的定位精度。④激光探測具有多次回波等方面的特性，當激光脈沖穿越現場的植被空隙時，能夠及時獲取樹冠、樹枝以及地面等多層高程數據。⑤成果更加豐富。通過外業、內業相結合的方式，既可以得到密度、精度要求較高的點云、影像數據，同時還能利用測繪數據生成數字表面模型（digital surface model,DSM）、DEM、DLG等。⑥應用該技術開展測繪工作的安全性更高。圖3為機載激光雷達技術的定位原理。

圖3 機載激光雷達技術的定位原理

2 案例分析

2.1 工程概況

某高速公路位于廣東省境內，公路線路全長77.2 km，由于線路沿線的地形以山地為主，且植被茂密，地形地貌相對復雜。在開展高速公路的設計和施工工作之前，需要對區域開展線路測量等工作。根據公路的實際情況，最終決定采用機載激光雷達技術開展空中掃描測繪。

2.2 實施方案研究

該公路工程的測量工作使用了載人飛機和激光雷達系統。首先，為了減少誤差，對整個測量范圍進行劃分，形成4個不同的飛行區域。其次，在線路的中間設立地面基站，解算機載位置姿態測量系統（position and orientation system,POS）數據。在本次工程測量工作中，總共飛行2個架次，實現了15條航線的飛行。其中，飛行的相對高度為1.5 km，掃描開角控制在45°，激光點旁向重疊度達到了50%以上，激光的發射頻率控制在300 kHz，掃描頻率控制在30 Hz，點云密度設計為4點/m2。

2.3 數據處理

2.3.1 預處理

在公路測量工作中使用機載激光雷達技術，生成的數據有原始點云數據、POS數據、GNSS數據等。在對點云數據進行預處理時，需要對機載POS數據進行解算，并檢查云精度、點云航帶匹配等情況。在開展數據處理工作期間，要對航帶間誤差進行有效的處理，確保同名點的三維坐標具有較高的一致性。首先，在進行POS數據的解算工作時，所應用的是POSPac軟件，其高程精度、平面精度應分別控制在5 cm、10 cm之內。其次，進行點云航帶平差匹配。采用束法區域網平差計算方式，在對采集的數據進行處理之后，各架次間、架次內的匹配精度應用在10 cm以內。最后就是點云精度檢查。在測量區域地面設立十字地表，應用實時動態載波相位差分技術的應用確定三維坐標。在此基礎上，通過與激光點云進行對比分析，就能明確激光點云精度。表1為點云精度統計。

表1 點云精度統計（高程） 單位：m

2.3.2 基準轉換

通過機載激光雷達技術獲得的數據采用的表示方式主要為WGS84坐標系，并采用墨卡爾投影，同時還應用到大地高系統。在本次測量工作中，通過對WGS84坐標系的激光點云進行轉換，得到2000國家大地坐標系，同時采用1985國家高程基準。

2.3.3 制作線路帶狀地形圖

在本次測量工作中，地形圖需滿足1:2000的精度要求，從而減少工程勘察設計所需要的時間。借助機載激光雷達技術繪制地形圖的操作要點如下：①采集測量區域范圍內的地面要素數據，尤其是POS數據、影像數據以及點云數據等。②在無外業相片控制點的條件下，開展影像糾正，同時做好空中三角測量等工作。在恢復立體像對時，能夠采集到相應的地面要素數據。③采集地貌和高程標記點，并借助南方CASS等軟件提取高程標記點，完成等高線的繪制。④獲取地形圖成果。在獲得地形、地貌、地面要素之后，通過內業編輯等處理工作，便能夠得到公路工程相關的地形圖[6]。

3 結語

本文主要對機載激光雷達技術的應用要點進行分析，并結合實際工程案例，對線路帶狀地形圖的制作進行了研究。現階段，在開展公路勘察和設計工作期間，要加強對機載激光雷達技術的應用，從而提高測量工作的效率與質量，促進公路事業的發展。