機載LiDAR系統在土石方測量中的應用

王躍武

（浙江納智地理信息科技有限公司，浙江 杭州 311400）

1 引言

在工程領域有多方面涉及土石方量的統計測量，傳統方法主要有儀器測量法，如利用GPS、全站儀或水準儀測量地形特征點，耗費大量人力物力，且對場地環境要求較高，當遇到惡劣環境時，測量人員的人身安全得不到保障，同時會延長工期，大大提高工程的成本[1]。近年來，機載LiDAR 系統以高效快捷、機動靈活、成本低廉等優勢發展迅猛，已廣泛應用于基礎地理信息采集、地質調查、勘察測繪等領域。本文以某土石方工程為例，利用機載LiDAR 系統獲取地面三維點云數據，經專業處理后生成準確的數字高程模型（DEM），再通過Global Mapper 軟件的體積測量功能將開挖前后的DEM 進行疊加計算，得出土石方量，為土石方測量提供一種全新的技術手段。

2 機載LiDAR 系統簡介

LiDAR 是一種新興的主動遙感技術，工作原理是根據激光測距原理計算得到從激光雷達到目標點的距離，脈沖激光不斷掃描目標物，就可得到全部目標點的帶有地理坐標的點云數據，再利用專業軟件將點云數據進一步處理得到所需的測繪圖件[2]。按照載體的不同，LiDAR 分為地面、車載、機載、星載四種模式，機載LiDAR 相對于其他搭載方式，具有機動靈活、成本低、數據精度高、作業效率高、環境因素影響小等優點，已被廣泛應用。機載LiDAR 系統是多種先進技術的集合體，運行時需要多個系統共同協作，主要由空中機載部分和地面基站部分組成。其中，空中機載部分主要包括搭載平臺、激光掃描儀、POS 系統，地面基站部分主要包括基準站GNSS 接收機、計算機和數據分析處理軟件[3]。機載LiDAR 系統如圖1 所示。

圖1 機載LiDAR系統作業方式

隨著無人機平臺的不斷成熟，用于機載的LiDAR設備也朝著小型化和精巧化方向發展，數據獲取能力不斷提高、應用方向不斷擴大。機載LiDAR 系統在測繪領域有著獨特的技術特點。

2.1 穿透性強、受環境因素影響小

機載LiDAR 系統屬于主動式測量技術，發射的激光脈沖能穿透云層、薄霧、植被等障礙物，可在陰天甚至夜間作業。在森林覆蓋密集或高山峽谷區域，相比傳統航測技術，該技術有著超強的環境適應能力和數據獲取能力。

2.2 高效率

機載LiDAR 系統能在短時間內獲取大區域、大范圍的地表空間信息，而且僅需布置少量外業像控點，內業即可清晰判別大部分地物，大大減少了外業工作量，生產效率相比傳統航測手段要高很多。

2.3 高精度

機載LiDAR系統采集的點云數據由激光直接獲取，密度可達到每平方米一個甚至十幾個原始數據點，由于激光具有較強的穿透能力，能夠獲取到更高精度的地表數據，因此無論是平面精度還是高程精度都比依據有限像控點擬合的傳統航測要高[4]。

3 項目實例

3.1 項目背景

以某地區公路改建工程中的土石方測量為例，該公路設計為一級公路，是該地區重要干線公路。根據公路整體設計要求，需對某路段的一塊場地進行測量并回填，需回填的場地面積約為20 萬平方米。受復雜地理地質環境、前期施工等多種因素影響，測區凹凸不平的土坑較多，回填難度較大，根據要求，需完成原地面10m×10m 網格測量，作為土石方結算依據。考慮到利用傳統測繪方法施測難度較大，項目組決定利用機載LiDAR 系統開展作業，同時與利用傳統GNSSRTK 法的土石方測量結果相比較，進行精度檢查。

3.2 數據獲取

采用華測P580 無人機平臺搭載AS-300HL 多平臺激光雷達測量系統，獲取目標區域激光點云及影像數據。AS-300HL 多平臺激光雷達測量系統有效集成激光掃描系統、定位定姿系統（包括全球定位系統GNSS 和慣性導航儀IMU）及控制單元，并進行輕量化設計，重量僅有3.2kg，數據采集速度卻高達10 萬點/秒，最大測距為250m，測量精度為15mm，重復精度為10mm。

參照測區地形地貌及建筑物、植被覆蓋等情況，結合LiDAR 系統的特點，在保證安全飛行的前提下，制定本次任務的飛行路線規劃圖和飛行參數，設計相對起飛點航高為120m、飛行速度為7.5m/s、航向間距為60m，共設計5 條水平航帶和2 條垂直航帶。考慮空域及天氣因素，僅飛行一個架次即完成測區全部數據采集任務，總飛行用時23 分鐘。數據采集完成后點云數據量為5.16 GB，獲取影像578 張，對數據進行完整性檢查，確保采集數據完全覆蓋測區、無大面積遺漏。

3.3 數據處理

數據處理主要有點云數據解算、DEM 生產、土石方圖制作三個步驟。

3.3.1 點云數據解算

數據解算方法主要包括三部分：（1）差分GPS 處理；（2）軌跡文件解算；（3）點云數據輸出。使用Inertial Explorer 軟件進行差分GPS 處理和軌跡解算，采用設備自帶的激光解析軟件進行點云數據輸出。為保證激光點云掃描數據精度，掃描的同時安排外業人員利用GNSS-RTK 實測一批檢查點。檢查點要分布均勻，要以外圍硬質路面標記點為主。對于測區的噪聲點，需通過TerraSolid 軟件逐塊剔除，反復調整相關參數，剔除點云數據的明顯噪聲，以便開展DEM 生產。

3.3.2 DEM 生產

獲取的點云數據，除了地面點還包括植被、建筑等非地面點數據，需經過點云分類得到地面點[5]。利用分類好的地面點成果數據，結合帶有高程信息的特征線即可制作高精度DEM 成果。由于通過點云數據生成得到的等高線曲線折點較多，不夠平滑，需要后期進行手工編輯修飾，編輯原則包括平緩地區等高線走向的正確性、V 字形山脊山谷朝向的正確性等。

3.3.3 土石方量計算

結合點云數據處理軟件對測區正射影像數據進行裁剪，然后利用裁剪后的正射影像與附加輸出的點云數據進行疊加，由于不同點落在不同的對象表面，提取落在地面上的點，過濾掉地面以上的點，將兩者用不同顏色區分并單獨顯隱，進而得到真正的地面點云數據。完成地面點提取后，可得到精準的地面點高程信息，再通過這些高程值生成準確的DEM（如圖2所示），最后利用Global Mapper 軟件的體積測量分析功能計算土石方量，該軟件還可對等高線、高程分布、坡度、坡向、流域面積等空間表達進行分析，具體步驟為：首先在Global Mapper 軟件中加載土石方開挖前的DEM 數據，然后再加載土石方開挖后的DEM，點擊“分析”菜單下的“根據兩個表面測量體積”命令，軟件即自動計算出研究區域的土石方量為38546.627m3。

圖2 土石方開挖前DEM影像

3.4 精度驗證

3.4.1 三維點云精度檢查

三維點云精度直接影響土石方量的計算精度，在三維點云數據中均勻選取10 個檢查點，將量取的坐標值與GNSS-RTK 測量的值進行對比，10 個檢查點的平

面和高程誤差統計如表1 所示。

表1 檢查點實測與采集數據對比

按照中誤差計算公式：

公式中，M為中誤差，n為檢查點個數，Δi為檢查點平面和高程實測值與量取值的較差。經公式計算得出，研究區選取的10 個檢查點的平面位置中誤差為0.032m，高程中誤差為0.048m，平面和高程精度均達到厘米級，滿足土石方測量的精度要求。

3.4.2 GNSS-RTK 法測量土石方量

土石方開挖前后，分別利用傳統的GNSS-RTK 現場采集一定密度的地形特征點，將測量數據展繪到CASS軟件中，構建三角網計算土石方量（如圖3 所示）。利用南方CASS9.0軟件對采集的特征點數據進行處理，計算得到開挖前后的土石方差值為38731.389m3，與利用機載LiDAR 系統計算的土石方量相差184.762m3，相對誤差僅為0.5%，證明兩種方法測量的結果均正確。由于機載LiDAR 系統獲取的是地表真實的DEM，軟件通過對比每個點的高程差值進行方量計算，因此，精度要比傳統GNSS-RTK 測量有限點的方法高很多。

圖3 CASS9.0計算土石方量

3.5 結果分析

對采用機載LiDAR 系統與傳統GNSS-RTK 技術的土石方測量方法進行比較，結果如表2 所示。在工作效率上，利用機載LiDAR 系統的外業時間為0.5h，傳統GNSS-RTK 技術的外業時間為2.5h，后者用時是前者的5 倍。在測量精度上，機載LiDAR 系統獲取的是地表真實的DEM，DEM 模型上每個點位都有準確坐標及高程，能真實反映地形連續的起伏變化，每個地形點都會參與土石方計算，計算結果更加準確；而傳統GNSS-RTK技術受測量人員經驗和專業水平影響很大，且只通過有限點來計算土石方量，測量精度較差。總體來看，機載LiDAR 系統較傳統測繪方法的優勢如下：

表2 兩種方法的外業時間及計算結果比較

（1）工作效率高。機載LiDAR 系統的工作效率比傳統測量方法高5 倍，可快速到達測區開展作業，且內業數據處理自動化程度高，在大面積土石方測量中更能體現應用優勢。

（2）精度高。機載LiDAR 系統獲取的是地表真實的DEM，軟件通過對比每個點的高程差值進行方量計算，精度要比傳統GNSS-RTK 測量有限點的方法高很多。

（3）安全性好。利用機載LiDAR 系統進行外業數據采集時，只需要一塊稍平整的起降場地即可開展作業，保證了測量人員的安全。

4 結束語

土石方測量工作比較繁瑣，傳統測量方法受多種因素影響已難以滿足當前要求。本文提出的基于機載LiDAR 系統的土石方快速測量方法簡單易行、高效快捷，大大提高了測量效率，節省了人力物力，保障了測量人員的安全。經驗證，該技術獲取的成果在精度上完全符合要求，為土石方測量提供了新的技術手段。