基于机载激光雷达的公路横断面测量方法研究

摘要：机载激光雷达技术不仅可以测量地区地形图还可测量线路走廊带，也可以提供高精度的数字地面模型为后期设计做准备，同时结合地物影像数据，增强了对地物的判别能力，在高速公路勘测设计等行业领域中有着广阔的应用前景和优势。基于此，采用机载雷达技术获取测区范围内原始点云数据，应用Terrasolid软件的一系列模块对点云数据进行处理。包括在TerraScan模块对激光点云进行滤波、分类，在TerraModeler模块中对滤波后的激光点云进行重组，内插生成DEM，最后获得的横断面高程精度为±0.12m（检查限差为±0.31m），满足高速公路勘测规范要求。

关键词：机载激光雷达点云数据公路勘测横断面图

ResearchontheMeasurementMethodofHighwayCross-SectionsBasedonAirborneLiDAR

CHENZhen

WuhanComprehensiveTransportationResearchInstituteCo.，Ltd.，Wuhan，HubeiProvince，430015China

Abstract：AirborneLiDARtechnologycannotonlymeasurebothregionaltopographicmapsandroutecorridorregions，butalsoprovidehigh-precisiondigitalgroundmodelstoprepareforlaterdesign，andcombinedwithgroundobjectimagedata，itenhancestheabilitytodistinguish groundobjects，whichhasbroadapplicationprospectsandadvantagesinindustriessuchashighwaysurveyanddesign.Basedonthis，thisarticleusesairborneradartechnologytoobtainrawpointclouddatawithinthemeasurementarea，appliesaseriesofmodulesofTerrasolidsoftwaretoprocessthepointclouddata，whichincludesfilteringandclassifyingthelaserpointcloudintheTerraScanmodule，recombiningthefilteredlaserpointcloudintheTerraModelermoduleandinterpolatingtogeneratetheDEM，andfinallytheelevationaccuracyoftheobtainedcross-sectionis±0.12m（theinspectionlimitof±0.31m），whichmeetstherequirementsofhighwaysurveyspecifications.

KeyWords：AirborneLiDAR;Pointclouddata;Highwaysurvey;Cross-sectiondrawing

近年来，我国经济社会发生了翻天覆地的变化，公路建设的成就令世人瞩目。一方面，经济社会的向前发展为公路建设注入了必要的资金；另一方面，公路建设的推进极大地促进了经济社会的向前发展[1]。随着经济社会的不断进步，公路建设的速度进一步加快。传统测量模式由于其数据获取模式单一、自动化程度不高、劳动强度大、工作效率低下等弊端，已不能满足新时代公路建设对公路测绘的新要求。如何实现公路建设需要的空间数据的自动、高效、准确获取，并对其进行快速处理，形成公路建设需要的可靠成果，是测绘地理信息工作者一直研究和追求的目标之一。

公路设计测绘先行，公路测绘分为初测、定测2个阶段，以满足不同设计阶段的数据需求。公路初测阶段主要是对路线方案进行比较，确定路线基本走向，一般要求1∶2000比例尺地形图，重要工点要求测制1∶500比例尺地形图。为了满足定测阶段施工图设计需要，主要进行路线中桩测量及横断面测量[2]。

公路横断面测量是测定与公路中线正交方向上地形的起伏情况，用于挡墙、路基（包括排水、用地）、土石方工程量的计算和防护工程设计。传统测绘方式是采用水准仪、全站仪、ＲTK等仪器设备获取断面线地形变换点平面位置和高程[3]。本文以某高速公路机载激光雷达航测为例，探讨点云数据获取与处理、应用效果评价等环节，剖析测绘新技术在公路横断面测量中的应用效果。

1任务要求

某高速公路主线67km，地势高差起伏较大，沿线冲沟、坎居多，居民地分布少。任务要求获取拟建高速公路设计中心线左右两侧各250m带宽范围内机载雷达点云数据。参照《机载激光雷达数据获取技术规范》（CH/T8024—2011）相关要求及设计单位特殊要求，其中，点云密度大于16点/m2。高程精度：经分类的点云数据高程中误差不大于0.1m，困难地区（大面积植被覆盖、乱掘地、采沙场、地面坡度在6°以上等）的中误差可相应放宽0.5倍。

2技术路线

首先，采用机载雷达技术获取测区范围内原始点云数据；其次，通过内业数据预处理、点云数据滤波等关键环节，获得地面点云；最后，在精度合格情况下，通过横断面处理软件进行道路任意断面提取、绘制断面图[4]。技术流程如图1所示。

其中，航线规划需要综合考虑预期高程精度、点云密度、无人机起降场地、立交桥及支线不规则飞行范围、敏感点及高大建筑物避让、山区仿地飞行耗电量高等特点，在保证安全的基础上，参考经验数值，山区3～4km/架次、平原5～7km/架次，共规划22架次。

3LiDAR数据处理

机载雷达点云数据来源于各种不同的集成仪器，主要包括载体位置、方向、距离值、时间、回波强度、光学影像等数据信息，处理这些数据时要同步提取和内插，然后计算出最终想要的测量数据。机载雷达数据处理主要包括数据预处理、数据后处理即点云滤波分类、航带拼接、坐标转换、数字产品（包括数字地面模型、数字高程模型、数字正射影像图及数字线划图等）的制作。本项目的激光雷达数据主要利用Terrasolid软件进行数据处理，在TerraScan模块中进行点云滤波分类，在TerraModeler模块中制作数字地面模型和数字高程模型，在TerraPhoto模块制作数字正射影像图。

3.1数据预处理

数据预处理的内容包括导航文件制作、控制文件制作、三维点云数据的生成，如图2所示。

3.2点云数据后处理

3.2.1点云滤波、分类

这一步也即基于三角网滤波算法，在开始时选取一些最低点构建原始地面模型，这些模型中只有最高点分布在地表上，其他大部分都低于地面，然后反复加入新点反复建立地表三角网，最终把地表点分离出，使模型比较接近真实地表[5]。点云自动滤波前后对比结果如图3所示。

在工程应用中，参数的设定很难保证达到所需要的理想滤波效果，目前也没有能够完全将各类点精确分类的滤波方法。因此，需要人工干涉以保证滤波结果符合相关要求，满足生产需要。

3.2.2坐标转换

机载激光雷达系统采用的是WGS-84坐标系，大地高为其高程基准，本项目采用1980西安坐标系，高程系统为1985国家高程基准，两种坐标系和高程基准不能直接应用测量结果，必须进行坐标转换。

在测区内沿路线测量部分高程和平面参考数据，每隔约10km做一个参考面。WGS-84坐标利用七参数法转换成1980西安坐标。在测区进行水准联测结算出高程拟合参数，利用拟合法进行高程拟合转换。

3.3数字高程模型（DigitalElevationModel，DEM）制作

3.3.1缺失数据区域的补测

由于水体的反射性，水域基本没有点云数据，鱼塘、河流等出现较大的无数据区域。另外，植被茂密，地形特殊处也有数据缺失现象，内插后影响数字高程模型精度，对这些不满足要求的区域利用GPSRTK和全站仪进行补测、实测、特征点采集，以弥补点云缺失的数据，并提供对LIDAR数据进行必要校正的数据[6]。基于本项目的特点，实测为主，激光点细化之；空旷裸露区域以激光点为主，实测点校正之。

本项目补测采用的仪器有：GPS是标称精度均为实时动态时的平面精度为±10mm+1pm的天宝5700和天宝5800；全站仪是测角标称精度为2″的Leica905L，测角标称精度为2″的TOPCON602和测角标称精度为5″的TOPCON335。

采点的主要内容及要求：（1）实测测区内数模特征线，包括道路、水域、断裂线（地形突变如冲沟、陡坎、坡等）等；（2）对测区已有道路施测时应确保能反映路基断面形状，二级及以下公路应测5个点（两侧坡底，两路肩外侧，路中点）；（3）水域（河、湖、沟、渠、塘等）测量时，其岸体视同坡坎进行采集；单线表示的沟渠（宽度小于2m）实测沟底高程并量注宽度，内业及时将测量数据整理成图形；（4）高大植被茂密区域，激光点可能无法穿透到地面，外业人员对这样的区域进行补点工作，由于这种区域RTK往往无信号，利用全站仪进行施测。

3.3.2DEM制作

在TerraModeler模块中制作数字高程模型。将实测点与经过滤波的激光点展绘在图上，用“激光点检查”工具对激光点进行统计和分析工作，从而达到激光点、实测点互检。在植被茂密地区，激光点可能会不准确，就将此地区实测的点展到点云图上，并删去实测点范围内的激光点云，则所绘制的三角网加上实测的高程点及激光点云形成最终的可构建模型的不规则三角网。有些水域没有激光点，如鱼塘中没有激光点，其他的水沟水面也没有激光点，这就需要将所测的断裂线绘制成三角网，再加上点云，构建TIN和三维模型如图4所示。

3.4横断面图制作

断面图是根据测量资料绘制的可以直观、准确地体现地面起伏状况的资料，是高速公路工程中路基设计，土方量计算以及放样、路基形状检查的数据支持。横断面测量是利用数字高程模型基于AutoCAD的二次开发软件模块生成。根据给出的中桩高程值，在数字高程模型上求出其高程值，作为第一个点。然后，再在垂直中线的方向上以一定的步长（一般取0.5m）搜寻特征点，并利用双线性内插的方法求出其高程值，同时计算出这两个点之间的距离（s）、高差（h）和两点间的斜率（k），再根据步长和k求出第三个点的高程，如果与其在数字高程模型上的高程之差绝对值小于之前设置的阈值，则不保存，继续搜寻计算下一个特征点；反之，则保存第二个点的坐标，并将其作为第一个点，刚才计算的点作为第二个点重复上述操作，以此类推求出横断面的所有特征点，从而根据断面要求在数字高程模型上提取出横断面线。

利用全站仪、GPSRTK对机载LiDAR数据产品精度进行检查，DEM高程精度±0.12m（限差为±0.2m），横断面高程精度与DEM高程精度相同，为±0.12m（检查限差为±0.31m），这些精度均满足高速公路勘测规范要求。

4结语

断面法是基于传统测绘点对点模式的一种成果展现形式，也是目前交通、水利行业设计、施工阶段重要的测绘成果之一。相较于方格网法，传统断面方式并不能发挥海量点云数据优势，还有待技术规范、行业标准的更新和支持，同时还需对新技术应用不足和关键技术问题进行更深入研究。本文对交通、水利等类似业务的开展具有重要参考价值，可以借鉴使用。

参考文献

[1]杨犇.无人机LiDAR和单波束测深在道路勘测中构建DEM的应用研究[D].连云港：江苏海洋大学，2023.

[2]贾东杰.无人机LiDAR在道路勘测设计中的应用[J].城市勘测，2022（6）：142-145.

[3]李通.车载LiDAR技术在高速公路改扩建勘测中的应用[J].北京测绘，2022，36（5）：611-614.

[4]刘佳.基于机载LiDAR点云的山区道路提取研究[D].重庆：重庆交通大学，2023.

[5]陈国柱.无人机LiDAR数据在公路勘测中的应用[J].工程技术研究，2020，5（2）：44-45.

[6]李通.车载LiDAR技术在高速公路改扩建勘测中的应用[J]北京测绘，2022，36（5）：611-614.