多平臺LiDAR 測量技術在公路改擴建勘測中的應用

岳祥楠，朱 盼，楊淑芬

（中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢）

引言

隨著我國綜合交通基礎設施的基本建成，為確保路網運營安全暢通，提升服務質量，對現有公路進行擴容改建和提檔升級，逐漸成為交通運輸行業的重點。公路改擴建工程對測量的精度要求遠高于新建道路工程，現有的道路改擴建勘測大多采用低空航空攝影測量輔之以人工上路實測的方法，費時費力，不僅會干擾正常交通秩序，還存在較大安全隱患，在效率、安全和成本等方面均難以滿足我國日益增長的公路改擴建工程需求。

三維激光掃描測量技術（Light Detection and Ranging，LiDAR）[1]是近年來興起的高新測繪技術，可快速獲取地面三維坐標，具有數據精度高、點云密度大等優勢。陳楚江、余紹淮等[1-2]研究了直升機機載激光測量技術在公路勘察中的應用，并利用“高空+低空”兩次飛行生成滿足公路改擴建詳測與施工圖設計精度要求的激光數據。張霄、羅博仁等[3-4]進行了車載激光測量在公路改擴建項目中的應用實踐。公維強，林偉恩，孟凡利等[5-7]進行了不同搭載方式的激光雷達在公路勘察中的應用研究。琚寶林，顧鵬飛等[8-9]將無人機LiDAR 應用于公路工程勘測。研究表明LiDAR測量技術可快速獲取既有道路路面及道路周邊的三維地形信息，可在不中斷現有交通情況下，實現對道路交通設施基本信息的安全、高精度和快速獲取。

公路改擴建工程通常需要采集公路設計線位兩側各150～200 m 范圍內三維地形數據，本文提出基于多平臺LiDAR 測量技術的公路改擴建工程勘測設計方法，利用無人機LiDAR 技術獲取道路兩側三維空間數據，而在車流量較小時進行車載LiDAR 測量，獲取路面范圍內更高精度的點云數據，兩者都不會中斷交通。

1 多平臺LiDAR 測量技術公路改擴建勘測方法

高速公路改擴建工程對路面和路外的精度要求不同，基于多平臺的LiDAR 測量技術可快速獲取公路改擴建項目所需的基礎測繪資料，其主要工作原理見圖1。

圖1 多平臺LiDAR 測量技術公路改擴建勘測方法

1.1 無人機LiDAR 測量技術

無人機LiDAR 測量視角開闊，不易被遮擋，自上而下的掃描視角和多次回波采集數據也更容易穿透植被而獲取真實地表信息，數據更加完整。利用無人機LiDAR 可實現路線一定寬度范圍內高精度激光點云與高分辨率彩色數碼影像的采集。

無人機LiDAR 測量外業數據采集完成后，獲取的數據包括激光原始數據、地面基站觀測數據、飛行軌跡文件（POS）數據等。需對原始數據進行處理:一是數據預處理，使用IE 軟件進行POS 解算，而后使用HD數據融合軟件進行點云融合得到LAS 格式的點云數據；二是進行點云精度檢查；三是進行選擇合適的分類參數進行地面點分類，輔以人工檢查編輯，獲取實際地面點云，完成數字高程模型（DEM）制作，并基于DEM、原始彩色影像、POS 等數據生產數字正射影像圖（DOM），生產縱橫斷面等。

1.2 車載LiDAR 測量技術

無人機LiDAR 測量獲取的點云對路面標識線無法準確辨識，而車載LiDAR 可獲取高精度的三維密集點云，用于提取公路改擴建所需的既有公路路面車道標識線、中央分隔帶、護欄等信息，是以汽車為載體，搭載激光掃描儀，在汽車的正常行進過程中快速采集路面基礎數據。

為滿足公路改擴建勘測要求，路面范圍內激光點云數據成果平面中誤差不大于0.05 m、高程中誤差不大于0.02 m，需沿既有公路路面上布設一定數量的靶標控制點用于精度糾正。靶標控制點的布設原則為沿既有公路兩側每隔400 m 布設1 個，兩側交叉布設，即可保證道路兩側每隔200 m 左右有一個靶標控制點，靶標控制點在道路上的布設方案見圖2。

圖2 激光點云靶標控制點分布示意

靶標控制點的平面位置采用GPS-RTK 平滑采集，高程按四等水準要求測量。利用道路兩側交叉布設的靶標控制點進行點云高程和平面的精化處理，從而提高點云數據精度，以達到公路改擴建勘測設計的精度要求。

2 工程應用與分析

為了驗證多平臺LiDAR 測量技術應用于公路改擴建勘測方法的有效性，選取沈陽至?？趪腋咚俟坊鸫逯笼埳蕉胃臄U建工程（簡稱北二環改擴建項目）進行了試驗。

2.1 項目概況

北二環高速是廣州北部貫通東西的重要通道，近年來交通量快速增加，而且大型過境貨車多、重載交通量大，造成服務水平下降，為保障車輛通行安全順暢，迫切需要對其進行改擴建。北二環改擴建項目路線起始于與廣深高速相交的火村互通，終止于與廣清高速相交的龍山互通，并與東二環、西二環高速公路相接，改擴建路線全長約38.4 km。

數據采集范圍為道路中線兩側各150 m，無人機LiDAR 測量視角開闊，一去一回兩條航帶即可完成道路兩側數據采集，但其路面精度很難達到公路改擴建項目勘測精度要求，車載LiDAR 測量可獲取完整、更高精度的路面信息，但由于掃描高度和視角的限制，受道路兩旁建筑物以及樹木的遮擋，無法覆蓋全部測區。因此無法采取單一LiDAR 測量技術，故北二環改擴建項目采用多平臺LiDAR 測量協同作業方法。

2.2 多平臺LiDAR 與數據處理

本項目激光雷達設備采用中海達ARS-1000L 三維激光移動測量系統，分別采用無人機LiDAR 和車載LiDAR 對項目全線進行數據采集和處理，滿足精度要求后，對機載、車載LiDAR 測量得到的激光點云數據進行了融合處理，并進行相關生產應用。

2.2.1 無人機LiDAR 測量與數據處理

本項目無人機LiDAR 測量采用科衛泰KWT 六旋翼無人機搭載激光雷達設備對項目全線進行了數據采集，同步獲取測區設計線位兩側的激光點云和影像數據。本項目飛行相對高度為150～250 m，激光掃描儀開角為90°，掃描寬度為300 m。

表1 無人機LiDAR 點云數據精度統計(單位：m)

2.2.2 車載LiDAR 測量與數據處理

本項目車載LiDAR 測量采用汽車搭載激光雷達設備進行數據采集，掃描過程中車速應控制在60～70 km/h，盡量保持勻速行進。車載LiDAR 測量數據處理包括POS 解算與點云融合、點云精化處理，精度檢查。

表2 車載LiDAR 點云數據精度統計(單位：m)

2.3 多平臺LiDAR 測量技術應用

2.3.1 既有道路車道線識別

在公路改擴建勘察設計階段，需要全面掌握既有道路的平縱橫線形參數、路線樁號等信息。基于車載激光點云數據的強度信息，可恢復4 條車道標識線，分別為中央分隔帶附近2 條車道線和靠道路外側護欄的2 條車道線，用于道路平縱橫線型擬合，見圖3。

圖3 既有車道標識線提取示意

2.3.2 縱橫斷面線快速提取

縱橫斷面測量是公路勘察設計中的一項重要工作，目前主要采用的方法是先利用GPS-RTK 或者全站儀放樣出中樁位置，然后再測出每個橫斷面點的高程，此方法需要耗費大量的人力物力，且效率很低。而基于機載、車載LiDAR 融合點云數據，按中樁距離法/中樁左點法生成全線路線主線、互通、涵洞通道等縱橫斷面三維地面線數據，如圖4 所示，此方法生成的橫斷面對微小地貌形態特征表現的更為細致，且極大地減少了野外橫斷面測量工作。

圖4 橫斷面三維地面線

2.3.3 高壓線測量

傳統高壓線測量方法是采用全站儀免棱鏡方式測量電塔位置和高壓線懸高。測量工作量大且存在一定的安全隱患，同時路線一旦調整，又需要重新測量。多平臺LiDAR 測量技術通過激光點云獲取高壓電塔位置和高壓線懸高，即使路線方案調整也不需要重新測量，見圖5。

圖5 高壓電塔、電線激光點云

3 結論

公路改擴建工程項目，既有公路交通流量大、勘測設計工期要求緊，獲取設計路線兩側三維地表信息及基礎資料較為困難。多平臺LiDAR 測量技術，實現了無人機LiDAR 和車載LiDAR 測量技術間的優勢互補，可有效解決車載LiDAR 測量在路面范圍以外的測量盲區和無人機LiDAR 難以滿足改擴建既有公路路面測量精度要求的雙重問題。

（1） 無人機LiDAR 數據采集范圍廣，適用于3D數字產品和橫斷面生產，車載LiDAR 的點云密度和精度高，適用于既有公路路面測量及道路附屬信息提取；

（2） 多平臺LiDAR 測量技術不僅可以滿足公路改擴建勘測的精度要求，使工作效率得到顯著提升，且不會不中斷交通，保證測設人員和儀器設備安全；

（3） 基于機載、車載LiDAR 融合處理后的激光點云數據，可生成任意位置、方向和寬度的橫縱斷面三維地面線數據，有利于改擴建工程設計方案比選與優化，且方案變更也無需重新上路測量。