公路工程中机载激光雷达技术的应用探讨

吴兴礼

（广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广东广州 510000）

0 引言

随着国内交通事业的迅猛发展，我国公路的建设规模不断扩大。公路项目经常会遇到一些地形复杂的区域，为确保设计、施工等环节的顺利开展，就要切实做好前期勘察、设计、测量等工作，进而为工程的顺利开展提供可靠的依据[1]。以往的地形图分析法无法对复杂的地形地势进行精确有效的描绘，因此要加强对机载激光雷达技术的应用，从而提高测量工作的效率与精度。

1 机载激光雷达技术的应用要点分析

1.1 工作流程

在机载激光雷达技术的应用期间，需要结合工作要求在飞行器上合理安装激光雷达以及全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）、惯性测量单元（inertial measurement unit,IMU）等。机载激光雷达系统能够发射受控激光，在激光照射到相关的测量目标之后，便能够得到拟测工程或路线的三维坐标信息。通过对坐标数据进行处理，就能将测量资料以及现场存在的植被、地表等信息进行分离，得到现场的数字地形、表面模型。图1为激光雷达系统的工作流程。

图1 激光雷达系统的工作流程

1.2 数据获取

数据采集流程主要包括以下步骤：①选择适宜的激光雷达系统。②选择可行、合理的飞行平台。③现场控制测量，在此期间要做好航线的合理规划。实际应用期间，对于激光雷达系统、飞行平台的选择较为简单。但是，如果测区内的地形相对复杂，就需要结合现场的实际情况做好控制测量、航线设计等工作，进而提高测量精度与效率。

在开展基础控制测量工作期间，需要在沿线范围内按5 km的间隔距离合理布设平面、高程控制点。为提高测量工作的精度，还应对公路两侧的实际情况进行分析，并按一定间隔距离合理设置平面、高程控制点。为提高平面控制点的识别效果与精度，应尽可能选用和路面标线保持一致的涂料进行涂绘等工作，将激光点云间隔距离作为设计过程的依据，并通过精确的计算之后进行确定。

在开展航线设计时，要将公路工程路面情况与精度要求作为参考依据，同时对选定的激光雷达系统进行分析，结合现场实际特点，合理确定现场激光点的布设位置与密度[2]。在开展工程现场的航线规划时，还要采用高空与低空相结合的方式，做好现场的数据采集。其中，高空数据的采集应做好公路两侧范围内影像的获取工作，还要形成精度较高的地形图，这就要求提高航线设计质量；低空数据则可以沿着公路中心线进行采集，这一过程对航线的设计基本没有特殊要求。

1.3 数据处理

通过应用机载激光雷达扫描测量技术，可以直接获取到现场的点云数据，这些数据有较高的精度、密度要求，如果不对其进行处理，则无法将其应用到实际的工程中[3]。因此，做好对已获取数据的处理具有重要的意义。数据处理可以分为预处理、坐标转换以及分类处理。数据经过预处理后便能得到大地高系统，但是公路工程所需要的是工程坐标系，因此应当对坐标进行转换。除此之外，为提高数据的精度，应当对重点数据进行精细化处理。在这一过程中，首先需要借助基础控制点对预处理之后的数据进行转换，使之形成工程坐标系；再利用路面控制点，对点云数据中的平面、高程等数据进行转换，如此一来，便可以得到满足公路工程设计、施工的点云数据。数据处理流程如图2所示。

图2 数据处理流程

1.4 数据成果制作

通过应用机载激光雷达技术，不仅能够获取点云数据，同时还能提高数据的密度、精度[4]。应用数码相机等先进采集设备，使所获取的数字影像效果更好。借助该项技术对获取的数据进行处理，能够生成多种类型的数字化产品，如数字高程模型（digital elevation model,DEM）、数字正射影像图（digital orthophoto map,DOM）、数字线划地图（digital line graphic,DLG）以及地面线等。①对数据进行分类处理，将地面点作为参考依据，进而提取末次回波所对应的相关点云数据。在此期间，还需要进行网格化处理、检查以及粗差点的去除等工作，最终生成DEM。②通过应用IMU数据以及GPS解算成果，并对两者进行联合处理，就能获得与航迹线相关的数据文件，再通过对外方位元素进行校正与处理，就可以将DEM和影像作为数据，进而生成DOM。③结合上述操作以及获得的数据，对外业测绘资料进行分析，便能生成地面线与DLG。

1.5 应用优势分析

机载激光雷达技术作为一种新兴的测绘技术，具有较多的优势：①相比以往的航空摄影测量和人工测量，机载激光雷达技术的应用效率更高。机载激光雷达技术作为一种主动式测量技术，在开展外业工作时，对自然条件的依赖性较低，不易受到现场天气、山区地形等因素的影响，并且满足全天候工作的要求。②随着机载激光雷达技术的广泛应用，相关的配套硬件、软件设施更加完善，因而在开展内业、外业中的数据处理工作时速度更快、周期更短[5]。③机载激光雷达技术采集的信息数据精度更高。由于激光具有极高的方向指向性特征，使该技术具备很高的定位精度。④激光探测具有多次回波等方面的特性，当激光脉冲穿越现场的植被空隙时，能够及时获取树冠、树枝以及地面等多层高程数据。⑤成果更加丰富。通过外业、内业相结合的方式，既可以得到密度、精度要求较高的点云、影像数据，同时还能利用测绘数据生成数字表面模型（digital surface model,DSM）、DEM、DLG等。⑥应用该技术开展测绘工作的安全性更高。图3为机载激光雷达技术的定位原理。

图3 机载激光雷达技术的定位原理

2 案例分析

2.1 工程概况

某高速公路位于广东省境内，公路线路全长77.2 km，由于线路沿线的地形以山地为主，且植被茂密，地形地貌相对复杂。在开展高速公路的设计和施工工作之前，需要对区域开展线路测量等工作。根据公路的实际情况，最终决定采用机载激光雷达技术开展空中扫描测绘。

2.2 实施方案研究

该公路工程的测量工作使用了载人飞机和激光雷达系统。首先，为了减少误差，对整个测量范围进行划分，形成4个不同的飞行区域。其次，在线路的中间设立地面基站，解算机载位置姿态测量系统（position and orientation system,POS）数据。在本次工程测量工作中，总共飞行2个架次，实现了15条航线的飞行。其中，飞行的相对高度为1.5 km，扫描开角控制在45°，激光点旁向重叠度达到了50%以上，激光的发射频率控制在300 kHz，扫描频率控制在30 Hz，点云密度设计为4点/m2。

2.3 数据处理

2.3.1 预处理

在公路测量工作中使用机载激光雷达技术，生成的数据有原始点云数据、POS数据、GNSS数据等。在对点云数据进行预处理时，需要对机载POS数据进行解算，并检查云精度、点云航带匹配等情况。在开展数据处理工作期间，要对航带间误差进行有效的处理，确保同名点的三维坐标具有较高的一致性。首先，在进行POS数据的解算工作时，所应用的是POSPac软件，其高程精度、平面精度应分别控制在5 cm、10 cm之内。其次，进行点云航带平差匹配。采用束法区域网平差计算方式，在对采集的数据进行处理之后，各架次间、架次内的匹配精度应用在10 cm以内。最后就是点云精度检查。在测量区域地面设立十字地表，应用实时动态载波相位差分技术的应用确定三维坐标。在此基础上，通过与激光点云进行对比分析，就能明确激光点云精度。表1为点云精度统计。

表1 点云精度统计（高程） 单位：m

2.3.2 基准转换

通过机载激光雷达技术获得的数据采用的表示方式主要为WGS84坐标系，并采用墨卡尔投影，同时还应用到大地高系统。在本次测量工作中，通过对WGS84坐标系的激光点云进行转换，得到2000国家大地坐标系，同时采用1985国家高程基准。

2.3.3 制作线路带状地形图

在本次测量工作中，地形图需满足1:2000的精度要求，从而减少工程勘察设计所需要的时间。借助机载激光雷达技术绘制地形图的操作要点如下：①采集测量区域范围内的地面要素数据，尤其是POS数据、影像数据以及点云数据等。②在无外业相片控制点的条件下，开展影像纠正，同时做好空中三角测量等工作。在恢复立体像对时，能够采集到相应的地面要素数据。③采集地貌和高程标记点，并借助南方CASS等软件提取高程标记点，完成等高线的绘制。④获取地形图成果。在获得地形、地貌、地面要素之后，通过内业编辑等处理工作，便能够得到公路工程相关的地形图[6]。

3 结语

本文主要对机载激光雷达技术的应用要点进行分析，并结合实际工程案例，对线路带状地形图的制作进行了研究。现阶段，在开展公路勘察和设计工作期间，要加强对机载激光雷达技术的应用，从而提高测量工作的效率与质量，促进公路事业的发展。