張 衡 李 通 肖 鵬 徐花芝
(山東省國(guó)土測(cè)繪院,山東 濟(jì)南 250013)
機(jī)載LiDAR技術(shù)在山區(qū)高速公路勘測(cè)設(shè)計(jì)中的研究與應(yīng)用
張 衡 李 通 肖 鵬 徐花芝
(山東省國(guó)土測(cè)繪院,山東 濟(jì)南 250013)
結(jié)合寧都至定南高速公路勘察設(shè)計(jì)項(xiàng)目,對(duì)機(jī)載LiDAR技術(shù)數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理及在高速公路勘測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的研究,成功完成了線路的地形圖、數(shù)字高程模型、縱橫斷面的制作,并對(duì)其進(jìn)行了精度分析,論證了機(jī)載LiDAR技術(shù)在山區(qū)高速公路勘測(cè)中的可行性,得出了一些有益的結(jié)論。
機(jī)載LiDAR 山區(qū) 高速公路勘測(cè) 精度分析
機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)是一種集激光測(cè)距、全球定位系統(tǒng)(GPS)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)和CCD相機(jī)為一體的系統(tǒng)[1]。能夠快速獲取高精度、高密度的地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)和高分辨率的影像數(shù)據(jù),并且自動(dòng)化程度高、受天氣影像較小、數(shù)據(jù)獲取速度快、精度高、產(chǎn)品多樣化等特征,具有傳統(tǒng)攝影測(cè)量方法不可比擬的優(yōu)勢(shì)[2-3],因此,引起了測(cè)繪界研究的濃厚興趣。
傳統(tǒng)的高速公路測(cè)量方法主要是應(yīng)用水準(zhǔn)儀、全站儀、GPS等測(cè)量設(shè)備對(duì)路線的地形圖、道路的縱橫斷面、沿線的主要構(gòu)造物進(jìn)行測(cè)量[4],以獲取滿足設(shè)計(jì)需要的數(shù)據(jù)。利用這些傳統(tǒng)技術(shù)雖然也能夠滿足精度要求,但是其效率低,需要對(duì)路線進(jìn)行重復(fù)測(cè)量,成本較高[5]。特別是在山區(qū)植被茂密的區(qū)域,利用傳統(tǒng)的方法根本無(wú)法測(cè)量。因此,本文結(jié)合寧都至定南高速(以下簡(jiǎn)稱寧定高速)公路勘測(cè)項(xiàng)目,對(duì)機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)獲取及處理技術(shù)進(jìn)行了深入研究,探索出了一套機(jī)載LiDAR技術(shù)應(yīng)用于山區(qū)高速公路勘測(cè)完整方案,并對(duì)其可行性進(jìn)行了驗(yàn)證分析。
寧定高速公路項(xiàng)目位于江西省贛州市,北起江西省寧都縣,南至江西省定南縣,線路主線全長(zhǎng)約78.6km,比較線長(zhǎng)度約40.2km,沿線主要以山區(qū)為主,植被茂密,地形復(fù)雜,還有部分原始森林。若采用傳統(tǒng)的測(cè)量方法基本無(wú)法完成線路的勘測(cè)任務(wù),結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況,提出了利用機(jī)載LiDAR系統(tǒng)進(jìn)行沿線航空掃描。由于機(jī)載LiDAR系統(tǒng)具有能穿透植被、精度高等優(yōu)勢(shì)[6],能夠很好的滿足高速公路勘測(cè)的精度要求。
項(xiàng)目使用運(yùn)5載人飛機(jī)搭載加拿大Optech公司生產(chǎn)的ALTM OrionH300型機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)。為減小IMU的誤差累計(jì),保證點(diǎn)云的精度,在進(jìn)行航線設(shè)計(jì)時(shí),將測(cè)區(qū)劃分為4個(gè)飛行區(qū),在線路中間架設(shè)地面基站,用于解算機(jī)載機(jī)載POS數(shù)據(jù)。項(xiàng)目共飛行了2個(gè)架次,15條航線,飛行相對(duì)高度1500m,掃描開(kāi)角為全角45°,激光點(diǎn)旁向重疊度不低于50%,激光發(fā)射頻率300KHz,激光發(fā)射頭掃描頻率30Hz,點(diǎn)云密度4點(diǎn)/平方米,每個(gè)架次設(shè)計(jì)一條構(gòu)架航線,航高保持一致。項(xiàng)目實(shí)施基本流程如圖1所示:
3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理
機(jī)載激光雷達(dá)航空掃描數(shù)據(jù)包括原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)、機(jī)載POS數(shù)據(jù)、地面基站GPS數(shù)據(jù)及影像數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理工作包括機(jī)載POS數(shù)據(jù)解算、點(diǎn)云航帶匹配、點(diǎn)云精度檢查等。其中最主要是對(duì)航帶間的誤差進(jìn)行處理,使同名點(diǎn)的三維坐標(biāo)一致,這是影響成果精度的重要因素。
1)POS數(shù)據(jù)解算。POS數(shù)據(jù)的解算使用POSPac商業(yè)軟件,解算后高程精度應(yīng)當(dāng)優(yōu)于5cm,平面精度應(yīng)當(dāng)優(yōu)于10cm。
2)點(diǎn)云航帶平差匹配。航帶平差匹配采用附加約束條件的光束法區(qū)域網(wǎng)平差算法[6],處理后架次內(nèi)及架次之間的匹配精度均優(yōu)于10cm。
3)點(diǎn)云精度檢查。航飛前在地面布設(shè)一定數(shù)量的十字地表[7],并利用RTK測(cè)得其三維坐標(biāo),與激光點(diǎn)云比較,得出激光點(diǎn)云精度報(bào)告。如表1所示:
表1 點(diǎn)云精度統(tǒng)計(jì)表 (單位:m)
3.2 基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換
機(jī)載LiDAR獲取的數(shù)據(jù)采用的是WGS84坐標(biāo)系,UTM投影,高程系統(tǒng)采用的是大地高系統(tǒng)。本項(xiàng)目采用的是1980西安坐標(biāo)系,正常高,所以要利用測(cè)區(qū)內(nèi)分布均的首級(jí)控制點(diǎn)運(yùn)用布爾沙模型計(jì)算出七參數(shù)[8],將激光點(diǎn)云從WGS84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到1980西安坐標(biāo)系。
式中:ΔX0,ΔY0,ΔZ0為3個(gè)平移參數(shù),εX,εY,εZ為3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù),m為尺度變化參數(shù)。
高程擬合利用沿線的首級(jí)控制點(diǎn)計(jì)算出其高程異常值,采用解析內(nèi)插與三次樣條函數(shù)[9]法將點(diǎn)云高程由大地高轉(zhuǎn)換為正常高,得到工程坐標(biāo)系下的點(diǎn)云成果。
3.3 點(diǎn)云濾波處理及DEM構(gòu)建
機(jī)載LiDAR能夠獲取豐富的地面三維信息數(shù)據(jù),包括地面植被、人工建筑物等,在高速公路設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)人員只關(guān)心地面點(diǎn)數(shù)據(jù),所以需要將點(diǎn)云進(jìn)行濾波處理,濾除非地面點(diǎn)數(shù)據(jù),得到地面點(diǎn)數(shù)據(jù)成果,并構(gòu)建DEM[10],作為設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并用于制作線路的DOM、DLG及縱橫斷面。利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)制作的數(shù)字高程模型如圖2所示。
3.4 道路斷面提取
斷面成果是設(shè)計(jì)人員最重要的成果之一,經(jīng)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和DEM成果,設(shè)計(jì)人員可以直接導(dǎo)入到緯地等道路設(shè)計(jì)軟件中,用于自動(dòng)提取線路的縱橫斷面。實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)工作的完美對(duì)接。基于高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果,設(shè)計(jì)人員可以任意提取縱橫斷面,這也是機(jī)載LiDAR的一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)。提取的斷面圖如圖3所示。
3.5 線路帶狀地形圖制作
機(jī)載LiDAR技術(shù)能夠同時(shí)獲取三維點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù),在地形圖的測(cè)繪與制作中有巨大的優(yōu)勢(shì),本文利用LiDAR數(shù)據(jù)在無(wú)外業(yè)像控點(diǎn)的情況下快速制作線路帶狀地形圖,達(dá)到了1∶2000地形圖的精度要求,大大節(jié)省了勘測(cè)設(shè)計(jì)成本和時(shí)間。利用LiDAR數(shù)據(jù)制作地形圖的工作包括:
1)地物要素?cái)?shù)據(jù)的采集。利用LiDAR系統(tǒng)獲取的影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)和相機(jī)文件數(shù)據(jù)及點(diǎn)云數(shù)據(jù)在無(wú)外業(yè)像片控制點(diǎn)的情況下進(jìn)行影像糾正和空中三角測(cè)量,恢復(fù)立體像對(duì),快速采集地物要素?cái)?shù)據(jù),
2)地貌和高程注記點(diǎn)的采集。利用Terrasolid和南方CASS軟件在地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上自動(dòng)提取高程注記點(diǎn)并生成等高線,改變了傳統(tǒng)攝影測(cè)量依靠立體測(cè)圖采集高程點(diǎn)和等高線的模式。
3)地形圖成果生成。將地物要素和地貌要素的綜合處理,經(jīng)過(guò)內(nèi)業(yè)編輯整飾即可得到帶狀地形圖成果。
為了驗(yàn)證機(jī)載LiDAR技術(shù)在山區(qū)高速公路勘測(cè)中的可行性,對(duì)地形圖精度和橫斷面精度進(jìn)行了檢查。
1)地形圖精度的檢查。利用GPS RTK的方法在道路交叉口處、房屋角點(diǎn)均勻采集了647個(gè)平面點(diǎn),在硬化地面、農(nóng)田等處均勻采集了1151個(gè)高程點(diǎn),對(duì)地形圖的平面和高程精度分別進(jìn)行計(jì)算分析,誤差統(tǒng)計(jì)表如表2、表3所示。
表2 平面誤差統(tǒng)計(jì) (單位:m)
表3 高程誤差統(tǒng)計(jì) (單位:m)
2)斷面精度檢查。利用RTK測(cè)量結(jié)合水準(zhǔn)測(cè)量的方式在道路沿線每隔2km采集一條橫斷面,并與激光點(diǎn)云提取的橫斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,如圖4中,列出了點(diǎn)云斷面和實(shí)測(cè)斷面的對(duì)比圖,其中最大的點(diǎn)高差為15.3cm,中誤差為9.2cm,表明機(jī)載LiDAR在山區(qū)中的橫斷面測(cè)量精度完全能夠滿足山區(qū)高速公路勘測(cè)設(shè)計(jì)的精度要求。
根據(jù)規(guī)范要求,山地1∶2000地形圖平面位置中誤差為1.6m,高程中誤差為1.2m,以2倍中誤差為限差。經(jīng)過(guò)外業(yè)檢查分析,利用機(jī)載LiDAR技術(shù)無(wú)像控點(diǎn)制作的地形圖平面和高程精度均優(yōu)于規(guī)范對(duì)1∶2000地形圖的精度要求,數(shù)字高程模型和斷面的精度也遠(yuǎn)高于規(guī)范要求,完全能夠滿足山區(qū)高速公路勘測(cè)設(shè)計(jì)的需要。
機(jī)載LiDAR系統(tǒng)能夠同時(shí)獲取高精度、高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和高分辨率的影像數(shù)據(jù),具有三維測(cè)量的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),多原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理即能夠獲取高精度的地面點(diǎn)云成果、數(shù)字高程模型成果以及數(shù)字線劃圖成果,快速的制作4D產(chǎn)品,本文結(jié)合寧定高速公路勘測(cè)項(xiàng)目,對(duì)基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)制作數(shù)字高程模型、數(shù)字線劃圖、道路斷面提取等進(jìn)行了深入研究,經(jīng)過(guò)驗(yàn)證其成果能夠滿足高速公路勘測(cè)設(shè)計(jì)的精度要求,形成了機(jī)載LiDAR技術(shù)應(yīng)用于山區(qū)高速公路勘測(cè)的完整方案,提高了山區(qū)高速公路勘測(cè)設(shè)計(jì)效率,縮短了勘測(cè)周期。并得出以下結(jié)論:
1)機(jī)載LiDAR技術(shù)在制作山區(qū)地形圖時(shí),可以在無(wú)像控點(diǎn)的條件下,利用POS數(shù)據(jù)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)影像進(jìn)行糾正,能夠滿足1∶2000地形圖的精度要求;
2)機(jī)載LiDAR技術(shù)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度較高,能夠用于山區(qū)高速公路的勘測(cè)設(shè)計(jì)。
3)機(jī)載LiDAR技術(shù)與其他測(cè)量手段相比,精度高,速度快,點(diǎn)云覆蓋全面,非常適用于高速公路勘測(cè)項(xiàng)目。
隨著機(jī)載LiDAR技術(shù)的進(jìn)一步成熟,必將成為以后高速公路勘測(cè)設(shè)計(jì)的主流手段,對(duì)于推動(dòng)高速公路勘測(cè)設(shè)計(jì)手段的進(jìn)步和測(cè)繪新技術(shù)的廣泛應(yīng)用有重要意義。
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The Research and Application of Airborne LiDAR Technology in Mountainous Area Expressway Surveying and Designing
ZHANG Heng,LI Tong,XIAO Peng,XU Hua-zhi
(Shandong Institute of Land Surveying and Mapping, Jinan Shandong 250013, China)
This paper takes Ningdu to Dingnan Expressway surveying and designing projects ,Jiangxi Ganzhou,for example,conducting a detailed study on data acquisition,processing and application in Expressway surveying and designing using Airborne LiDAR Technology.And completed the strip topographic map, digital elevation models, vertical and horizontal cross-section successfully.Then analysised the accuracy of the results,demonstrated the feasibility of airborne LiDAR technology in the mountainous Area Expressway surveying and designing,and draw some useful conclusions.
airborne LiDAR;mountainous area;expressway surveying; accuracy analysis
2016-05-18
P258
B
1007-3000(2016)06-4