实例探析机载激光雷达技术在工程测量中的应用

邓清福

摘 要 机载激光雷达技术为空间测量技术，将激光扫描技术、GNSS技术、INS技术、摄影测量技术进行有效融合，通过将其应用于工程测量中，不仅测量效率高，而且可保证测量精度。对此，本文首先对机载激光雷达技术的应用流程进行介绍，然后以某高速公路工程项目为研究对象，对机载激光雷达技术在工程测量中的应用方式进行深入研究。

关键词 机载激光雷达技术;流程;工程测量

引言

现如今，我国交通事业发展迅速，公路工程项目建设数量和规模均不断增加。有些公路工程项目建设区域地形复杂，为保证施工的顺利进行，要求做好施工前勘察设计中的测量工作，为工程项目设计提供可靠依据。传统的地形图分析方式无法准确描绘复杂的地形地势条件，对此，可利用激光探测与测量技术（LiDAR），保证测量精度。因此，对机载激光雷达技术在工程测量中的应用进行深入研究意义重大。

1 机载激光雷达技术概述

1.1 机载LiDAR系统工作流程

在机载激光雷达技术的应用中，在飞行器上可安装LIDAR、GNSS以及IMU，机载LiDAR系统可发射受控激光，当激光照射至测量目标后，即可获得测量目标的三维坐标数据信息，通过利用系统进行数据处理，即可将工程项目测量资料与植被、地表的测量资料相分离，进而获得数字地形模型以及数字表面模型。机载LiDAR系统工作流程如图1所示。

1.2 数据获取流程

LiDAR数据指的是从采集目标体所反射回的激光束信号，在激光束的反射过程中，可能会经过多次翻身，因此，LiDAR会获得大量的数据点。在机载激光雷达技术的应用中，要求利用飞行设备搭载测量系统，因此，需结合实际情况制定完善的飞行方案，选择适宜的飞行平台。在利用机载LiDAR设备进行工程测量以及测量数据信息采集时，应关注系统的各项指标，包括飞行高度、高程精度、扫描方式、扫描角、平面精度等。

1.3 机载LiDAR数据处理

（1）激光数据预处理流程

在利用机载LiDAR获得GNSS数据、摄影数据等各类数据类型后，可对数据进行预处理，进而有效提升数据精度。

（2）激光数据后处理流程

对于LiDAR数据，可采用密集三维坐标，要求对各类数据进行高效分类处理。现如今，对于LiDAR数据，一般采用滤波分类技术，如果利用传统的滤波算法（TIN），则可在此基础上利用信息技术，提升滤波精度和效率。在分离地面点时，可利用三角网滤波算法[1]。

1.4 数据成果制作

数字高程模型（DEM）指的是在测量平面内平面坐标以及高程的数据集，可准确反映出测量范围地貌形态特征。对于测量区域地形地貌，可利用小采样间隔的DEM表达，对于范围较大的测量區域地形地貌，可采用较大采样间隔DEM表达。LiDAR点云数据的密度比较大，对此，可提取出关键点信息形成DEM。通过利用DEM所获得的数据，能够有效满足正射影像制作过程中数字微分纠正，进而有效提升测量精度。

2 某高速公路工程概况

某高速公路线路全长77.2km，线路沿线主要为山区，植被茂密，并且地势地形条件复杂。在高速公路工程项目设计施工前，首先需对勘察设计区域进行线路测量，在本工程项目勘察设计中，综合考虑了实际情况，采用机载激光雷达技术对拟建高速公路沿线进行空中扫描。机载激光雷达技术可穿透植被，并且测量精度高，因此符合工程项目测量要求[2]。

3 机载激光雷达技术实施方案

在本工程测量中，采用载人飞机，并搭载机载激光雷达系统。在航线设计中，为减少误差累积，将整个测量区域划分为4个飞行区，在线路中间位置设置地面基站，可对机载POS数据进行解算。在本工程测量中，飞行2个架次，共15条航线，飞行相对高度1.5km，扫描开角45°，激光点旁向重叠度在50%以上，激光发射频率300KHz，激光发射头扫描频率30Hz，点云密度4点/m2。高速公路测量流程如图2所示[3]。

4 工程测量数据处理

4.1 数据预处理

在应用机载激光雷达技术进行某高速公路测量中，可产生很多数据类型，包括原始点云数据、机载POS数据、GNSS数据以及各类影像数据。在对点云数据进行预处理时，首先需对机载POS数据进行解算，并对点云精度、点云航带匹配等进行检查。在数据处理中，航带间误差处理至关重要，要求必须保证同名点三维坐标的一致性，这样才能够保证数据处理精度。

（1）POS数据解算。在对POS数据进行解算时，采用POSPac商业软件，在数据解算完成后，要求高程精度以及平面精度应分别优于5cm、10cm。

（2）点云航带平差匹配。在航带平差匹配中，可采用束法区域网平差计算方式，要求经过数据处理后，各个架次之间以及架次内的匹配精度应优于10cm。

（3）点云精度检查。在应用机载激光雷达技术前，首先在测量区域地面设置十字地表，采用RTK技术确定三维坐标，然后与激光点云进行比较分析，即可确定激光点云精度。本工程测量精度如表1所示。

4.2 基准转换

在利用机载激光雷达技术进行工程测量时，所获得的数据均可利用WGS84坐标系表示，并利用UTm投影，同时应用大地高系统。在本次工程测量中，采用2000国家大地坐标系、1985国家高程基准，对于WGS 84坐标系中的激光点云，应转换至2000国家大地坐标系、1985国家高程基准中，具体计算公式如下：

在上述公式中，Δx0，ΔY0，ΔZ0分别指的是3个平移参数，另外，εx，εY，εZ分别指的是3个旋转参数，m指的是尺度变化参数。

4.3 点云滤波处理及DEM构建

通过应用机载激光雷达技术，能够获得详细的地面三维信息数据，在某高速公路工程设计中，设计人员需将地面点数据作为参考依据，对此，对于点云，需进行滤波处理，保留地面点数据，同时构建DEM，并据此制作DOM、DLG以及纵横断面。在本工程测量中，通过利用点云数据，可制作出数字高程模型，如图3所示。