无人机载LiDAR扫描技术在沙漠区域公路工程测绘中的应用

李 坚

（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830002）

0 引言

随着国家一带一路战略的实施，新疆加快了南北疆公路干线建设。新疆存在很多无人区，基础设施项目实施起来难度很大，特别是前期的测绘工作，交通条件极差，作业环境极其恶劣，采用人工实地测绘方式，花费成本很高，同时也存在一定的危险性。随着测绘新技术的发展，无人机载LiDAR扫描技术已经非常成熟，由于其具有高效率、高精度、低成本、不受地形条件的限制等优点，因此广泛应用于测绘领域中；而高精度的精化水准面模型建立，GNSS高程测量精度提高，也为外业高程测量减少了工作量。如何将新兴的测绘手段与项目实际情况结合起来，制定适宜的作业方案，提高测绘工作效率和产品的精度，降低作业人员的劳动强度和生产成本，需要测绘人员不断去摸索方法、总结经验。

1 无人机航测系统

无人机载LiDAR扫描系统由无人机平台系统和激光雷达扫描系统（LiDAR）组成，无人机平台系统一般选用垂直起降方式，通过旋翼提供升力，通过螺旋桨提供前进驱动力，具有姿态稳定性好、抗风能力强、续航能力强、安全系数高特点。激光雷达扫描系统包括GNSS、IMU、全画幅相机、激光扫描仪等设备。通过无人机驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、通信技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术组合应用，以无人机作为飞行载体，利用激光雷达扫描系统高速旋转的高频测距激光头扫描得到以扫描中心为基准的三维坐标信息，GNSS采集高精度的定位数据，IMU则获取高精度姿态数据，激光扫描仪则同步、快速、准确地获取空间三维信息且激光雷达脉冲能穿透树林遮挡，直接获取森林地区地表的高精度三维信息。采用无人机载雷达扫描采集地面点数据是一种集生产效益高、获取数据精度高、全天候作业、直接获取测区DEM和DSM、作业人员安全保障性高等众多优点的新型测绘作业模式，不受地形条件的限制，高速获取地面模型点云数据；雷达扫描的免像控技术，通过架设数量较少的基站，替代大数量的外业像控点施测，从而大大减少外业工作量，提高工作效率。

2 精化水准面模型

地球表面、似大地水准面及参考椭球面是3个并不平行的曲面。利用GNSS方法测取的高程为大地高，其基准面是参考椭球面；利用水准测量方法获得的高程为正常高，其基准面为似大地水准面。建立精化水准面模型原理：通过获取测区分布均匀的离散点获得离散点似大地水准面，通过测区的重地测量，利用大地测量学方法，求得格网重力似大地水准面，最后通过球冠谐函数，将这些离散点似大地水准面与格网重力似大地水准面进行拟合，可得到似大地水准面的精化模型。随着现代测绘技术的发展，建立的精化水准面模型精度越来越高，而厘米级似大地水准面模型的建立已经可以改变部分传统高程测量作业模式。精化水准面模型的应用，可以大大减少在水准测量工作，特别是在通行条件困难地区，可以大大提高工作效率。

3 应用实例

3.1 测区概况

塔克拉玛干沙漠是中国最大的沙漠，位于新疆南疆塔里木盆地，俗称“死海”，维吾尔语“不可跨越”的意思。拟建公路项目区位于塔克拉玛干沙漠南部腹地，南起G315线南屯镇，北至塔克拉玛干沙漠中心塔中镇，全长151.7 km，呈直线状穿越塔克拉玛干沙漠南部腹地，沿线地表均为裸露沙地，植被稀少，沙漠区交通条件恶劣，测区东北方向是塔中镇至且末县沙漠公路，西北方向是塔中镇至民丰县沙漠公路，南侧是G315东西贯通，西南侧有安迪尔乡的沙漠公路抵近线路中部区，测区地理位置及交通情况如图1所示。承接项目时间是2019年12月底，限期50天完成。主要测绘内容：一是施测测区大地控制网，为公路测绘及施工提供空间位置基准；二是测绘宽1200m的1︰1000比例尺带状地形图，供拟建公路选线使用；三是测量选定线路的纵、横断面，为路线设计提供基础数据；项目的难点：一是测区为移动沙漠区，交通条件极其困难，沙漠专用车都难以逾越，人员更无法穿越；二是承担项目时间正值12月底，测区最低气温达零下19℃，测绘人员无法野外露宿；若采用常规的测绘方法，这是一项无法完成的测绘任务。

3.2 技术方案设计及实施

技术路线：由于项目测区为移动沙漠区，地表均为软沙地覆盖，植被稀少，通行条件极差，适用无人机载雷达扫描作业。作业关键步骤有以下4步：第一，因地制宜布设、施测大地测量控制网，并求得点云数据坐标转换参数；第二，利用机载雷达扫描采集测区地表点云数据；第三，对点云数据进行DGPS和IMU/GPS解算、大地定向等处理；第四，利用点云数据绘制1︰1000地形图，提取公路纵、横断面数据。

根据机载雷达在扫描作业时需要在地面已知点架设基站，满足基站至机载雷达扫描系统距离不超过50km。根据测区周边的高等级国家水准点分布位置，在拟建公路线路附近、人员能到达位置加密线路控制点，形成覆盖测区首级控制网，如图1所示，平均边长约46km。平面控制测量：采用九台天宝GNSS接收机，以静态测量方式同步观测，考虑到基线较长，观测时间设定为大于或等于240min，观测数据与新疆CORS网数据并网解算，平差过程加载新疆南疆区域似大地精化水准面模型，可以计算得到控制网的WGS84坐标系成果和CGCS2000坐标系和85高程基准的成果，利用这两套坐标成果可以求取得到点云数据的转换参数。高程控制测量：对加密控制点ST01、ST03、ST04进行直接四等水准测量，得到加密点四等精度高程成果。利用已知点的高程成果，一是可以检核精化水准计算成果的精度情况，二是可以再次优化区域转换参数精度。

图1 测区位置及方案布设图

数据采集采用大疆CW30无人机挂载RIEGL激光雷达系统通过扫描方式获取， 按式=·/（为相对航高，为地面分辨率，为相机尺寸）可计算出相对航高为280m，航线间隔为450m（航带重叠度按30%计算）。设计航带数为4条，设定激光扫描密度为5点/m~6点/m。为提高采集数据的大地定向坐标精度，在航摄过程中，在测区两端地面架设ST01、ST04双基站。由于线路较长且测区中部区域人员及车辆无法到达，起飞点选择两处，一是选择南屯镇北侧5km的路边，从南往北飞行，从起飞点向北飞行距离80km进行数据采集；二是选在测区北侧塔中镇往东南方向30km的沙漠公路边，从北往南飞行80km进行数据采集；南、北两片飞行区重叠区为5km。机载雷达激光扫描作业流程如图2所示。

图2 机载雷达激光扫描仪点云数据采集作业流程图

数据处理包括以下内容：a）MU-GPS数据联合解算。2台GPS基准站间距在30 km~50 km，合理布设地面基准站可有效减少大气误差、电离层延迟误差、对流层延迟误差等，流动站安置在飞机上，将基准站和流动站的采样间隔均调设成1″，待航摄作业正常完成后，下载基站数据、流动站数据及MU数据，并进行联合解算，求出每个扫描点的外方位元素及其航迹线。b）激光数据处理。激光数据下载后首先对激光数据进行检校消除，加入原始点云的条带数据，并加入轨迹文件，将轨迹号与航带号进行匹配，去除重叠部分的点云数据，利用测区区域转换参数对激光数据进行平面及高程融合（大地定向）。对不满足要求的区域进行人工外业实测，补测高程信息，或采用同期数码影像基于立体像对补测特征点、特征线。c）点云数据的提取。对激光点进行分类处理，提取地面点的点云数据。成片茂密植被区域点云数据的处理，利用激光脉冲穿透性，地面点和非地面点形成上下两层，通过设置参数来自动滤波，除去大部分非地面点数据，再对自动滤波后数据进行人工检查，对个别区域进行精细处理，以去除剩余明显高于地面的植被点云数据点，经过处理后的点云数据为净地面点点云las数据。

该项目测区沙漠区，使用清华三维公司的eps软件自动生成等高线、提取地面高程点功能，设置等高线基本等高距为1.0m、提取高程点密度为20m/点，利用点云数据生成等高线、提取高程点，编辑生成1︰1000地形图。由于点云数据高程点密，利用点云数据生成地等高线更加精确，更加逼近真实地形。

断面提取分三步：第一，确定拟建线路导线，根据地形图判断沙包的分布位置及地形起伏情况，按照公路选线规则，选定拟建线路的走向、绘制出线路导线图；第二，设定路线导线起点、拐点及终点，设置好路线拐点的曲线要素值，如拐弯半径、缓和曲线长值、圆曲线长值等以及路线纵断面间距，利用软件在点云数据上自动完成纵断面数据提取；第三，设定提取横断面桩号与纵断面桩号一致、横断面宽度，横断面点间距，在点云数据上自动完成提取横断面成果。

为验证采用新技术方法测绘成果的可靠性，项目案例采用传统的RTK测量方法，实地外业采集数据对点云数据、地形图、断面数据数据进行检核、点位精度分析及误差分布统计，可求出本次激光作业的点位误差精度和高程中误差精度。精度统计情况见表1。

表1 点云数据成果与RTK测量数据精度比较统计

4 结语

本次测绘任务利用高新测绘技术组合手段，在极端地形及天气条件下快速、精准地完成了测绘任务，并采用常规的测绘手段对作业成果进行检查验证，确保测绘成果的可靠性。项目案例证实采用无人机激光雷达采集地形点的作业方法完全可以达到常规仪器测量的精度，完全可以满足公路勘测设计对地形地物点基础数据的需要。同时项目工期从原计划50天缩减到实际用时31天，缩短了工期，降低了成本，获得了很好的项目效益，同时降低了测绘外业人员的工作强度及危险性。该文旨在总结项目经验，为荒漠无人区实施类似工程测绘项目提供一定的经验及参考。