轻型机载激光雷达技术在公路勘测设计中的应用

何 巧，张志敏，许丽雯，肖绮霞

（广州城市职业学院，广东 广州 510000）

0 引言

对于机载的激光雷达航测主要是能够集激光扫描以及全球定位等系统融合的新时期高科技的采集技术为一体的重要航测技术。对比于以往的机载激光雷达航测技术来说，这种新型的雷达航测技术可以更有效地实现智能化趋势，并且受到外界天气因素的阻碍较小，最终测量出的数据精准程度也要更高一些。这也是该技术在三维空间方面的重要突破，这能够为获得更高分辨率的空间信息提取提供更加有效地帮助。而轻型的机载激光雷达航测主要是以恩斯特龙、贝尔407等为主要的飞行载体，在这样的情况下就可以有效地降低大型机场停靠的经济成本问题，同时对于降落场地的选择也更加具有灵活性，这更能够做好对于公路勘测设计工作的有效知识。

1 机载激光雷达测量的发展及现状

美国在20 世纪70 年代登月计划中就已经使用了激光雷达（LIDAR）这一技术。伴随着时代的发展，人们对于GPS 等精准定位技术也应用更加普遍，因此在飞机上面应用的激光测高仪也能够更好地推进数据采集准确性，并通过扫描方式来改变以往的激光束发射方向。同时联合有机集成设备进行协作来构建一个较为健全的机载激光雷达测量相关系统，这样也能为其他的工作提供更加有效的帮助。

在机载激光雷达系统的发展过程当中，该技术也日趋成熟，越来越多的国家对这一技术的使用也更加广泛。美国、加拿大多个等国为潜在浅海地形的勘测过程中，都应用了机载激光雷达测量相关技术来完成相关工作，注意将飞行高度控制在为500～600m，直接测距与定位，最终得到DEM。从我国的角度来说，当前的机载激光雷达相关系统已经被应用在1:2000 甚至1:1000 大比例尺成图并取得了很大的成就[1]。

还需要注意的是，要想做好公路相关的勘测设计工作，比例尺需要选择1:2000，在此基础上来保证横断面专题图成果能够更好地达到要求。本文当中以京沪高速公路改扩建勘察设计项目为例，在其中充分的介绍当前采用轻型机载激光，雷达航测相关技术如何合理地进行航线规划。同另外工作人员的综合实力也要全面的提升，根据现场所提供的重要数据支持，来合理地规划好所有项目中的具体工作时间以及用到的技术。保证能够高效的对数据进行提取并做好分析，进而为该项目的落实提供重要的基础。

2 项目概况

2.1 测区介绍

与此同时，经过对该项目的深入了解，发现该项目的主要测区路段总长度大约有260km。但由于该路段当中被植被所覆盖的区域比较大，因此也导致该项目执行过程中会存在较大难度。

2.2 项目任务

从我国的角度来说，当前的机载激光雷达相关系统已经被应用在以贝尔407 载人直升机为平台。制作完成了1:2000 比例尺数字正射影像并根据业主提供的设计成果实现了中桩横断面专题图的及时制作[2]。

2.3 机载激光雷达航测设备

（1）飞行平台。这一技术主要应用在了贝尔407 载人直升机上面，此外在进行探测的过程当中选择2 处平台区域，以此来作为飞行过程中的临时起点以及降落点。导航上面所使用的雷达相关导航系统，也需要根据实时的情况来及时纠正飞机在侧滚以及仰俯等状态下的速度和高度的维持。

（2）机载激光雷达航测设备。该技术设备所采用的主要系统是由加拿大所发明的OptechGemini 系统。这一系统当中所使用的脉冲频率在16.6 万Hz 左右，并且其平时的工作高度应当控制在150～400km 的范围之内，这样就能保证测量的精准程度有效提升。配置的数码相机像素约在3900 万左右，镜头焦距47mm[3]。

2.4 项目实施概况

项目从实际情况来看，对南方的植被覆盖面积较大，所以在进行勘测的过程当中，一定要做好相应的计划与准备，保证机载的高度与地面高度保持在良好的位置，同时将误差减少到0.2m 左右。

3 项目实施关键技术

3.1 集成机载激光雷达航测点云和航片的大比例尺DLG 测图方法

当将该技术使用到实处的过程当中，可以在第一时间获得到第一密林区的地貌情况，同时根据区域位置建立TIN 网自行内插等高线。同时通过后期的一些剪辑方式来更加有效地获取到等高线专题图等相关元素。但需要注意的是，机载激光雷达航片在长时间的使用情况之下很容易出现变形的情况，工作人员则需要选用合适的方式来进行处理。目前，我国机载激光雷达航测设备大多是在自制的DOM 产品技术基础上，采集道路、水系等的平面元素。然而，这种科技方式还面临着DLG 道路、水体等建筑物平面要素的获取准确度低下、建筑物外部轮廓形状数据信息无法精确获得等问题。本文章的项目在进行使用的过程当中应当使用通过TerraSolid 软件方式对机上激光雷达飞行测试数字航片实施空三加密处理。通过StarModeler 对上述的空三加密成果实现了文件格式转化，提供由Virtuoz、航天远景等摄影测试与立体测图软件系统均提供技术支持的PAT-B 格式空三加密文档，进而解答了机载激光雷达航空测量的大规模性与立体精密测图问题[4]。本项目将充分发挥机载激光雷达飞行监测多主数据库特性和技术资源优势，通过利用获得的高精度、高密集点云获得等高度线、高程注记点等高度要素，从而开创性地实现了集成机载激光雷达航空测量点云与航空图片的大规模性DLG 检测图工艺化制造技术过程。图1 中是自主开发的软件工具StarModeler 数据处理界面。

图1 空三成果转换软件

3.2 LiDAR 技术

从目前的情况来看我国的机载相关机关雷达测量系统，涵盖多种较为先进的相关技术，同时也包含了多种GPS 等技术的升级内容。在这样的情况下应用在公路相关探测的设计工作当中，就能有效地获得高精度的数据并作为数字相关模型的有效支持，进而提升当前的公路勘测相关质量。

从文章当中的项目了解情况来看，激光雷达测量系统采用SkvEve 天眼激光科技有限公司的SE-J500C系统。在使用当中集激光的扫描仪以及数码相机等内融为一体，最终的采样频率大约在100Hz 左右，通过利用LIDAR 技术的，同时将多个载体进行系统的作业，就可以将定位坐标的精度精确到0.15～1m，对高度就可以精确到10～30cm，对地面的分辨率更是能够达到厘米的程度，通过这些精确的信息数据，就可以清晰的掌握某一地区的地理位置和地理特点，提供更加精确的三维信息。所以这一技术的使用要比传统技术更加具有先进性，同时扫描的范围也要更大一些。飞机则使用北方天途飞机科技发展公司的M6FC6 旋翼无人机[5]。

3.3 LiDAR 航空摄影

在使用先进的技术进行航拍的过程当中，一定要严格遵循具体要求来执行，如果发现存在漏拍等问题，那么就要及时的补充拍摄。补拍的过程当中一定要在不影响后续业务的基础之上来进行，并注意只需要补拍漏洞即可对于其他位置不应耗费过多时间。有学者孙嘉悦，张旭晴，牛雪峰等研究了区域位于吉林省西北部的白城地区，松嫩平原西部，科尔沁草原东部的某项目。其地势由西北向东南依次为低山、丘陵和平原，西南略有抬升。白城市草原辽阔，可利用草场面积9064km2，适用于提取植被点试验[6]。低矮植被为植高20～30cm 的不易与地面点分离的植被点。选取一块宽1600 像素，长1200 像素，像素大小为0.05m 的区域，区域内包含1410 个激光点，其中包含地表点与低矮植被点两种激光点。在数据处理过程中，通过对研究区域进行去噪工作、保持迭代角度为3°不变、距离为0.31m 不变且角度为2.5°～3°每隔0.1m 做一次实验等流程后论出：在低矮植被较多或者地势平坦的区域，迭代角度为最小值1 时，低矮植被点造成的小气泡状的等高线会被完全清除，此现象说明迭代角度值越小，低矮植被分离效果越好[7]。

3.4 激光点云分类

（1）利用TerraSolid 软件滤波（分离地面点和非地面点）：该软件基于不规则三角网原理，通过设定参数阈值进行滤波。其主要的参数设置项为：Maxbuildingsize Terrianangle Iterationangle 等，或值大小取决于测区的地形以及植被的高低、密度等。

（2）将分离出来的非地面点进行有效划分可以根据点的高程、散布的形态、密度等情况进行落实。针对形态规律、空间结构特点突出的地物（如房屋、电力塔等），可利用参数设定，或利用软件自动获取。同时，可以通过人机交互方法辅助分析。也可以使用根据光反射强度、回波频率、地物形态特征等的计算机算法组合，对节点云数据实现自主分析。

3.5 精度要求

DOM 在使用过程当中一定不能出现任何的划痕以及噪声等，点云数据密度应大于1 个点/m2。数字地形模型精度要求是：道路纵断面数模采集精度应满足平面精度10 个cm，高程精度≤5cm。被交路线应按规定抽取精度应满足平面精度≤5cm，高程精度＜3cm。

4 数据处理及成果制作

4.1 机载激光雷达航测数据处理流程

在通过对数据分析之后，还要进行预处理，利用GPS 等技术来将检测的初始结果及资料提升原有的精准度。利用GPS 差划分算POS 数据分析，经过检测后分析航测的初始资料质量，并制定条带点云、数码航片、航迹线、航片GPS 时间搜索文件等机载激光雷达航测初始资料结果。最后将了解到的数据进行充分的分析之后再做处理，就能更好地保证精准程度更加符合现阶段要求，再利用内插制作大规模性的DEM 结果。在上述得到的飞机航迹线和航片GPS 日期搜索文档基本上得到了飞机照片外位置元素的日期搜索文档，再利用同名点选择和照相畸变拟合，从而做出大比例尺DOM 结果[8]。图2 是测点机载激光雷达航空观测数据和大比例尺测图法的概略数据处理过程。

图2 数据处理流程

4.2 LiDAR 数据处理流程

应用轻型机载激光雷达航测系统，针对数据处理层面，要按照LiDAR 数据处理流程进行。

（1）对文件的制作首先要针对导航情况并依据实际的区域位置做好数据的分析。最终要联合地面的GPS 等基站内容进行充分的处理来实现导航数据的文件落实，从而为今后的发展提供有效帮助。

（2）还要注意对于文件的选择，要保证所有准确性的数据都能控制在合理范围之内，如果存在漏洞，要第一时间进行解决。

（3）最后使用的三维激光点相关技术来进行计算，对原始的激光束聚焦，更好地对数据分析，并为后期的判断做好重要的基础。根据数据所得到的高程控制点也要进行及时校正，保证三维空间坐标能正确的计算出来。

4.3 DEM 产品制作

DEM 是目前使用频率较高的一种技术，它能够有效地发挥自身价值并提升数据监测准确性。制作过程如下：①格网化。依据整体的点云位置值以及参照的节点之间距离，需要将两者进行充分的结合，并保证位置能够更加符合当前要求。然后分点云数据，将其分为多个较小的图幅块。②填充小缝隙。在进行信息化的技术使用时，可以结合有效技术来对缝隙进行填充保障周围的图像不会出现裂缝等情况，进而影响数值的分析。③产生浮雕映像。运用一定的手段，将已制作完成的大地资料产生浮雕影像，从而后续形成三维空间模式，以直观反映地表现实。④过滤。过滤这一工作主要是对过滤的具体参数进行测试，选择好这一内容之后才能更好地确保数据品质达到现阶段要求，从而减轻手工人员的工作压力。⑤手工编辑。滤波后影像上黑洞是滤波掉附近地物后留下的，只有需人工方法干涉的方式才能达到这一目的。⑥裁剪重叠区。内插完后，要修剪各幅画面边上的重叠部分，最后生成DEM 模式。

在通过上述的处理工作之后，最终得到的点云数据也要根据点云的相关剖面图进行参考，了解周围区域的建筑和植被稠密程度。通过有效的了解并充分的划分来保证所有的划分质量更能在原有基础上有效地提升，并为数量以及技术的落实提供有效帮助[2]。

4.4 DOM 产品制作

DOM 制作要充分地根据影像来进行校正工作，这样可以确保外部的采集影像能够更符合现阶段的标准，并注重在短时间内形成正射的相关影像。然后，必须完成匀色。首先将所获得的影片输入INPHO 软件，并完成了对正满射像的匀色处理，使得影片总体色彩更加和谐、均匀。再一步，必须对编辑镶嵌线完成合理制造。终于，完成影片分幅制造，终于得到正满射像DOM。以点云设计的数字地面模式为依据，使用从POS操作系统中提取的外方位元件直接实现了全自动空三加密，整套生产的制造过程无须外业像控点。仅要求透过计算公共加密点的较差值，对基本定向点技术指标加以分析与评估而已。生产过程中发现，加密点的数量分布和成果精度之间有密切关联。

从另一个角度来说，在进行大范围的相关制作过程当中为使DOM 影像能够更加均匀地呈现出来并且过渡更加自然，这也需要工作人员对原始航片调色与DOM 后期进行综合处理。

4.5 DLG 制作

从目前的情况来看，DLG 制作主要分为平面要素和高程要素。DLG 高度基本要素使用4.2 得到的地面高度点自动制造.与此同时，注重高线的平滑度，在国家的相关标准范围之内落实，如果没有达到规范，那么就要不断进行调整处理。图3 为叠加DOM 影像图后的DLG图成果。

图3 叠加DOM 后的DLG

4.6 中桩横断面专题图提取

机载激光雷达的成果主要用于公路勘察设的以下几个专业：中桩、横断面地面高程，拆迁建筑物调查、不良调查、高压线。该项目设计过程当中相关的测区测量的方式并采用了2000 多个精度检测点来将其均匀的进行分布。通过此种方式，能够更好地提升数据的精准程度。在业主提交的工程线路数据基础上，以网上生成的地面点云为基础，建立了TIN 三角网，并编制出了中桩纵向断裂的专题图结果。图4 为中桩横断面专题图成果。传统测量方法是采用全站仪和GPS-RTK 测量。对于这种山区高速公路，地势陡峭、地形复杂，进度和精度都无法保障，同时测量过程中安全隐患大。机载激光雷达技术则是通过激光穿透植被，获得高密度的激光点云，生成高精度的数字高程模型，最后通过相关专业软件提取中桩、横断面地面高程，如图5 所示。

图4 中桩横断面专题图成果

图5 通过数字高程模型提取中鮊、横断面高程

5 结语

综上所述，机载激光雷达采用激光主动测量，克服植被阴影的影响，对天气条件相对宽松，数据成果直接满足公路详测与施工图设计要求，不仅保证了工程数量的准确性，更加保证了工程造价可控，从而减少变更设计。文章当中的项目主要说明了轻型机载激光雷达航测技术在我国公路勘测过程中的案例分析。这一新型的技术与传统的勘测技术相比具有较强的优势，并且能够在南方森林较为浓密的地区，更好地了解当地地形，。对以往所不能勘测到的区域都能更好地进行建模了解。获取到的数据准确性也要更高一些，同时最终的施工图纸设计断面成果也能得到有效提取，通过这样的方式进而实现了勘测一体化的工作要求，为我国公路勘测行业的发展奠定重要基础。