高速公路扩容项目激光雷达测量技术应用

高桃峰

（四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610000）

1 项目概况及激光雷达测量的主要任务

南充至成都高速公路扩容工程项目（勘察设计第A3标段初步勘察设计项目K67+000～K144+800）主体工程的建设里程约77.8 km，项目位于四川省德阳市和遂宁市，途径德阳市冯店镇等若干镇。

该激光雷达测量工作的主要任务分为：机载激光雷达航测按1∶500的精度控制、车载扫描总体精度按照1∶100的比例尺控制以及提供已经分类的LAS格式彩色激光点云。

2 机载激光雷达测量作业流程

2.1 航线规划及踏勘

根据项目需求，首先对作业区进行整体了解，包括作业区内的作业环境（GPS 信号遮挡情况，纠正点布设和施测方便程度，人员、设备、数据安全状况，交通限制等）；再制定机载激光雷达测量系统作业的扫描路线、控制点和纠正点的布设方案，为该项目的航线规划踏勘做准备。

2.2 外业数据采集

为了充分保证航测成果的质量，该数据采集使用的是中测瑞格扫描鹰HS-1600激光雷达系统，严格控制航摄飞行天气条件、设备的参数设置、原始数据的存储和运输、原始GPS/IMU数据、激光扫描数据、数码影像数据、地面观测数据、飞行记录及地面基准站参数、数据预处理成果质量以及数据后处理成果质量等技术环节；通过现场踏勘及附近控制点的位置情况确定起飞场地，最终完成项目数据的采集。

2.3 轨迹解算

通过地面基准站的GPS数据以及对机载GPS数据的差分解算，精确确定航摄过程中飞机的航迹，再与IMU数据进行耦合处理，得到飞机的姿态信息，并进行平滑处理；通过对飞行过程的姿态和位置精度的分析评估惯导作业状态，对数据精度进行初步判断。

2.4 DEM数据和DOM数据的制作

根据采集的基站GPS数据及航飞原始数据差分预处理解算点云数据，利用TerraSolid系列软件处理激光点云数据和影像pos数据，进行DEM数据和DOM数据的制作；制作过程严格按照标准和规范的要求执行。

2.5 成果整理及提交

加强项目组织管理及协调工作，进行地物和等高线的编辑以及图幅整饰；并经实地调绘修改，完善地形图。

3 车载激光雷达测量流程

3.1 踏勘

该项目主要使用 HS-1600车载激光扫描系统对测区内已有的高速公路、互通匝道以及上跨道路进行数据采集和处理，经过踏勘、纠正点布设和施测以及点云和照片数据的采集与处理，生产出项目需要的各项成果。

根据项目需求，先对作业区进行整体了解，包括作业区内作业环境（GPS 信号遮挡情况，纠正点布设和施测方便程度，人员、设备、数据安全状况，交通限制等）[3]；制定移动测量系统的作业扫描行车路线、控制点以及纠正点布设方案。

3.2 基准站控制点选点

由于该项目采用 CGCS2000 高斯投影坐标系统和 1985国家高程基准，而HS-1600车载激光扫描系统采集的原始数据为 WGS-84坐标系，因此需要将采集的点云数据进行坐标系转换（七参数法）[2]。HS-1600车载激光扫描系统后处理软件提供了坐标系转换参数的解算功能[4]。使用作业区内经过检核有效的高等级控制点进行七参数计算，七参数解算时使用与机载同一套转换点转换参数。地面站布设与机载地面站一致。

3.3 标靶纠正点布设与施测

一般情况下，靶标控制网布设单侧间隔300 m，双向交叉间隔150 m，互通匝道处应该分别布设在首尾段。同时，在GNSS信号受影响区域适当加密（例如在进出收费站口前后都应该增加靶标点）；在测线首尾处的两侧车道布设靶标点[5]。

考虑作业的安全性，该项目在高速公路中央隔离带边缘靶标纠正点布设困难，布设时采用单边应急车道或路肩位置布设的方法，布设靶标高程纠正点的间距不低于150 m，布设平面纠正点的间距不低于300 m。由于在高速路匝道施工存在困难，因此，互通匝道首尾布设。靶标布设为十字形（如图1所示），十字单条尺寸为 10 cm×60 cm，采取人工涂/刷白色油漆的方式确保点的稳定，测量脚点在十字形的中心点，便于内业数据的处理识别，需要对靶标纠正点进行编号并在现场标记，存取奥维位置，靶标纠正点的平面坐标施测采用GPS-RTK的方式，简易三脚架对中杆架设平滑60 m得到，高程采用电子水准仪四等水准进行施测。

3.4 车载激光扫描系统外业数据采集

3.4.1 数据采集准备

地面站开机后，车载雷达系统开机做惯导初始化校准。

3.4.2 扫描作业

由于实际采集路况复杂多变，因此，在行车扫描路径设计完成后，需要到实地沿设计路径模拟采集，要特别注意一些特殊路段（例如岔路口、单向路以及与设计中不一致的路段）并及时做好记录。模拟采集完成后，根据实际情况对设计的行车路径进行针对性地调整，以实现最优化的结果。正式扫描时，驾驶员只需要注意车速，不需要时刻注意路线，完全按照导航轨迹指示行车，进而提高了作业效率。

在外业数据采集时，应该将确认修改后形成的数据采集路线规划结果导入导航器中，作业时严格按照预设路线完成数据采集，避免重复和遗漏，提高作业效率。有突发情况（例如封路、新增限高和限行等）时，需要根据实际情况就近结束作业或者临时改变采集路线；内业处理时再调整、更新导航数据文件。

在实际作业时，扫描车应该开启双闪模式，尽可能地减少其他车辆或者移动物体的遮挡，避免出现数据盲区。除了初始化和结束化以外，规范的扫描作业对结果也有显著的影响，因此在实际扫描作业时应该注意以下6点：1） 根据路面情况（是否存在中央隔离带、道路宽度等）决定采取单向扫描或者双向扫描，扫描作业时车行速度控制在80 km/h左右。2）在扫描作业时，作业车不得随意变动车道，尽可能地减少变道次数。3） 扫描时，减少与同向车辆并排行驶的时间，避免出现遮挡。4） 扫描作业时离基站最远不能超过15 km。5） 单次扫描作业时间不能超过3 h。6） 遵守其他高精度作业的规范和要求。

3.4.3 扫描数据整理

移动测量系统采集的原始数据量较大，主要包括点云数据、基站和流动站数据以及IMU数据等。每天完成扫描作业后应该及时将数据拷贝至电脑中并进行备份，根据情况每天清理系统中各个设备的存储空间，以确保第二天的正常作业。

3.5 内业数据处理

完成外业采集数据整理后，应该及时进行数据解算和精度评定，确保采集数据的有效性，对不合格的数据应该及时补充采集。将已经采集完成且有效的轨迹导出到基础底图（例如DOM ）中，便于查漏补缺和修改外业数据采集计划。

3.5.1 轨迹解算

在进行组合导航数据解算前应该开展格式转换、数据预处理等准备工作。数据准备就绪后，使用导航解算软件PosPac MM8.1进行解算。解算完成后，应该使用软件自带的精度评估功能对解算结果进行初步判断，当最大偏差超过限差时，应该调整关键参数进行尝试解算；多次尝试后误差仍然较大时，应该对其原因进行分析并采取进一步的措施，例如换用IE软件进行组合导航解算，当2款软件解算精度均较差时，应该重新采集数据。当结果符合预期精度时，就可以导出组合导航解算结果，以备后续解算点云数据时使用。

3.5.2 点云处理

轨迹解算完成后，生成WGS84坐标系统的点云初始数据，然后使用七参数转换将点云坐标系统转换至目标坐标系。

图1 靶标样式及测量方式

3.5.3 靶标纠正

使用靶标成果检查点云成果高程平面精度，如果精度超限则需要进行靶标纠正。靶标纠正采用TerraSolid点云后处理软件，平面使用四参数分段纠正，高程使用拟合纠正。

4 航测精度检查

4.1 检测方式

“成南高速公路扩改建项目”数据精度评估采用RTK作业方式，为了保持检测点坐标与激光点云坐标系统一致，以解算激光点云数据的基站为基准进行检测点的数据采集。

采集的数据分为高程检查点和平面检查点，用这2类点分别对该项目的高程和平面进行精度评估。

检查点采集工作，拟以测区中线为基准，均匀分布，采取多地形，多地物，以全面客观的评价项目数据精度情况，在实际作业情况中，根据测区的特点，交通状况，采集检查点如下。

4.2 高程精度检测

该项目外业共采集938个高程检查点，除去斜坡及明显粗差点（RTK信号为浮点时获取值），可用938个地面高程点。高程点检查使用点云处理模块TerraSolid自动检测938个高程点数据生成激光点云、空三解算DSM高程精度报告，采集点与激光点云、空三解算DSM对比。

根据点云高程检查结果，将高差的绝对值分为0 cm～5 cm（含5 cm）、5 cm～10 cm（含10 cm）以及＞10 cm 3档，经统计得到结果，如图2所示。

图2 点云高程精度统计

根据DSM高程检查结果，高差的绝对值分为0 cm～10 cm（含10 cm）、10 cm～20 cm（含20 cm）以及20 cm～25 cm 3档，经统计得到结果，如图3所示。

图3 DSM高程精度统计

4.3 平面精度检查

在实地检测时，选择不同地形和不同高程的点实测，从而分析地形状态对成果精度的影响。检测对象包括围墙转角、四角方形建筑以及硬质地面明显转角处等容易在影像上分辨的地物，该测区共计外业实测1251个检查点。

平面检查主要通过实测地物与影像及点云的地物进行对比，通过肉眼辨别地物会存在的偏差，因此对比结果也会存在一定的误差。该实测使用ARCGIS软件及terrsolid软件将实测地物坐标点与点云及影像上地物进行对比。

根据点云平面检查结果，将精度分为0 cm～10 cm（含10 cm）、10 cm～20 cm（含20 cm）以及20 cm～30 cm 3档，经统计得到结果，如图4所示。

根据影像平面检查结果，将精度分为0 cm～10 cm（含10 cm）、10 cm～20 cm（含20 cm）以及20 cm～30 cm 3档，经统计得到结果，如图5所示。

图4 点云平面精度统计图

图5 影像平面精度统计

4.4 精度评价

该测区激光雷达航测工作，数据成果各项精度指标满足《合同》及规范的要求，各种数据齐全正确，资料整理完整，符合相关国家规范，成果质量合格。

5 结语

激光雷达测量技术是当代科技发展的必然产物，是数字化、信息化、互联网相互结合、彼此作用的高性能集成系统，在高速公路扩容项目中此项技术优点很多，应用广泛，随着专业人员的深入研究，激光雷达测绘技术逐渐成熟，也会被应用到更多的领域，而在工程测绘中的应用给测绘的效率和质量带来了质的飞跃，也在一定程度上促进了我国工程测绘工作的快速发展。