楊青坡（中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司太原設(shè)計(jì)院，山西 太原 030000）

1 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)概述

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)是一種綜合合理利用激光全球定位系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，其與傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量技術(shù)比較分析，具有其自身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，即自動(dòng)化程度高、受天氣影響比較小、生產(chǎn)周期較短、精確度較高等。主要應(yīng)用到探測(cè)地面的三維坐標(biāo)中，以此產(chǎn)生激光雷達(dá)數(shù)據(jù)影響，通過(guò)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和軟件處理，進(jìn)一步生成地面DEM模型、等值線圖、DOM正射影像圖。機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)主要就是把激光、全球定位、慣性導(dǎo)航、光學(xué)技術(shù)相結(jié)合，利用光學(xué)遙感技術(shù)，探測(cè)波段，以此有效獲取地面物體反射能量大小和物體反射波譜的幅度、頻率、相位等，針對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)信息，及時(shí)處理并定位，據(jù)此針對(duì)目標(biāo)物體，準(zhǔn)確測(cè)速和識(shí)別。現(xiàn)階段，我國(guó)主要把機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用到數(shù)字城市規(guī)劃、工程建筑測(cè)量、電力設(shè)計(jì)勘測(cè)選線、線路監(jiān)測(cè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、林業(yè)種植與規(guī)劃等領(lǐng)域。

2 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)在公路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 采集參數(shù)選擇

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量具有其自身的獨(dú)特參數(shù)，即激光點(diǎn)間隔、激光重疊度、影像地面分辨率、飛行高度等相關(guān)參數(shù)。激光點(diǎn)間隔主要是通過(guò)平均點(diǎn)間隔距離或點(diǎn)數(shù)加以表示，從而對(duì)最終地面點(diǎn)的插值精度有著直接影響。在點(diǎn)云到達(dá)一定密度值之后，精度會(huì)隨著后期處理工作量不斷增加，增大因?yàn)榉诸愬e(cuò)誤所導(dǎo)致的誤差。切實(shí)根據(jù)工程相關(guān)數(shù)據(jù)信息，全面防止發(fā)生邊緣變形誤差，在后期處理數(shù)據(jù)時(shí)，剪切掉重疊區(qū)域的激光點(diǎn)。因此，在地形起伏并不大的情況下，機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)航測(cè)對(duì)航線旁向的重疊度，需要嚴(yán)格控制在20%-25%之間，只有這樣才能夠滿足使用需求。地面分辨率和成圖比例尺息息相關(guān)，以此描述像素代表地面的實(shí)際距離。飛行高度設(shè)計(jì)和成圖的精確度要求密切相聯(lián)系，也與激光設(shè)施設(shè)備和測(cè)區(qū)地形等相關(guān)聯(lián)。所以，在實(shí)際工程中，需要對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行全面計(jì)算和詳細(xì)分析。并且，隨著激光器校驗(yàn)技術(shù)不斷精確，飛行高度對(duì)激光精度的影響不斷縮小。

2.2 輔助地面控制測(cè)量

激光點(diǎn)云的高程精度充分發(fā)揮著重要作用，在機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量中，一般都會(huì)設(shè)置與其相合適的地面基站測(cè)量，會(huì)涉及到地面控制測(cè)量的相關(guān)因素，其中主要有地面基站精確度、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、水準(zhǔn)面擬合精度、衛(wèi)星分布情況等。機(jī)載激光雷達(dá)飛行時(shí)，與傳統(tǒng)測(cè)量比較分析，輔助地面基站測(cè)量工作強(qiáng)度大大降低，但是，技術(shù)要求難度會(huì)逐漸增加，在測(cè)量等級(jí)和精度的時(shí)候，要求非常高。

2.3 DOM和DEM制作

通過(guò)POS數(shù)據(jù)信息，計(jì)算外方位元素、相機(jī)參數(shù)迭代計(jì)算、影響鑲嵌、影響和點(diǎn)云匹配等，可以制作數(shù)字正射影像圖DOM。1:2000的DOM分辨率在0.2m以上，能夠滿足公路勘察設(shè)計(jì)可行性、初步設(shè)計(jì)、施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)的需求。充分合理DOM，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類判斷和地物提取等，利用所獲取的地面點(diǎn)在對(duì)應(yīng)軟件中，制作出可以滿足需求的數(shù)字地形圖DEM。

2.4 數(shù)字線劃圖DLG繪制

盡管DEM和DOM能夠滿足三維設(shè)計(jì)需求，但是此軟件并不能完全滿足生產(chǎn)需要。再加上，主流公路設(shè)計(jì)軟件，在開(kāi)展公路設(shè)計(jì)工作時(shí)，主要通過(guò)等高線，以此為主的數(shù)字線劃圖DLG。受相幅和相機(jī)限制，Lidar所獲取的影像不適合通過(guò)立體測(cè)圖的方式獲得大面積DLG。一般來(lái)講，利用DEM自動(dòng)生成等高線和高程點(diǎn)，結(jié)合DOM進(jìn)行道路和排水等地物要素的矢量化。嚴(yán)格按照野外調(diào)繪位置，描繪地下管線。Lidar相對(duì)敏感的地面上，電力和通訊線等都可以從影像上獲取，也可以通過(guò)一定算法獲取矢量。

2.5 斷面采集

表1 激光點(diǎn)云測(cè)量精度統(tǒng)計(jì)

在進(jìn)行公路勘察施工設(shè)計(jì)階段，橫斷面的測(cè)量任務(wù)相對(duì)繁雜。機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)通過(guò)詳細(xì)劃分激光點(diǎn)云，以便于對(duì)植被覆蓋比較密集的區(qū)域，可以獲取更加精確的DEM，以此有效解決傳統(tǒng)航測(cè)技術(shù)中所存在的主要問(wèn)題。充分合理利用高精度DEM批量測(cè)繪線路上任意點(diǎn)的橫斷面，以此利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，用時(shí)比較少，精確較高，還能夠有效避免發(fā)生野外測(cè)量錯(cuò)誤狀況。

3 實(shí)例分析

明鑫煤礦至S303公路建設(shè)項(xiàng)目位于哈密市巴里坤縣境內(nèi)，其中最高處為線路中部的莫?dú)J烏拉山。擬建路線所經(jīng)地貌為一山兩盆地，兩邊低中間為高山。路線起點(diǎn)的沖洪積準(zhǔn)平原，由于山脈阻隔，使氣候炎熱，降雨量偏少，導(dǎo)致該處形成了類戈壁灘地貌；路線終點(diǎn)的沖洪積準(zhǔn)平原，由于降雨相對(duì)豐富，氣候較為適宜，使該處形成了草原地貌。路線所經(jīng)地勢(shì)起伏較大，高差變化大。這些都給外業(yè)勘測(cè)工作帶來(lái)了極大的困難。由于該項(xiàng)目要求時(shí)間緊，項(xiàng)目組決定將機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)運(yùn)用到公路設(shè)計(jì)過(guò)程中。

項(xiàng)目選用動(dòng)力三角翼飛機(jī)搭載RIEGL公司的VP-1系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一款最新型的集成機(jī)載激光掃描系統(tǒng)，為帶狀公路測(cè)圖提供了優(yōu)秀的解決方案。在工程區(qū)域沿線對(duì)道路全線進(jìn)行770m、300m航高的高、低空數(shù)據(jù)采集。在高空數(shù)據(jù)采集中，主要進(jìn)行大范圍DOM和大比例尺DLG生成。在低空數(shù)據(jù)采集中，主要獲取道路中心線兩側(cè)各150m范圍內(nèi)的高精度、高密度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可直接生成精密DEM。為了對(duì)精化處理后的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度進(jìn)行定量分析，此項(xiàng)目利用實(shí)地測(cè)量的300個(gè)檢查點(diǎn)，對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平面精度和高程精度分別進(jìn)行了檢查，具體結(jié)果見(jiàn)表1，激光雷達(dá)測(cè)量的成果優(yōu)于道路改擴(kuò)建定測(cè)與施工圖設(shè)計(jì)的精度要求。

通過(guò)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)斷面圖，可以發(fā)現(xiàn)激光點(diǎn)云不僅能穿透茂密植被達(dá)到地面，而且可非常細(xì)致地反映出地面上的微地貌形態(tài)特征。項(xiàng)目可直接利用高密度、高精度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，按中樁距離法完成全線橫斷面三維地面線的生成工作。通過(guò)該方法不僅大大地減少了野外測(cè)量的工作量和工作強(qiáng)度，而且針對(duì)工程方案的變更對(duì)比可及時(shí)提供橫斷面數(shù)據(jù)，并可確保工程數(shù)量精確。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)激光雷達(dá)掃描測(cè)量的數(shù)據(jù)成果，通過(guò)建立數(shù)據(jù)交換接口的方式與CAD環(huán)境進(jìn)行集成。利用緯地道路輔助設(shè)計(jì)軟件，在縱、橫斷面和平面線位等交互設(shè)計(jì)中，直接對(duì)激光雷達(dá)測(cè)量的數(shù)據(jù)成果進(jìn)行動(dòng)態(tài)交互，實(shí)現(xiàn)縱斷面的無(wú)序動(dòng)態(tài)拉坡，并進(jìn)行橫斷面的智能化自動(dòng)設(shè)計(jì)，在可視化環(huán)境下對(duì)橫斷面的邊坡類型和橫斷面任意部分進(jìn)行修改和實(shí)時(shí)顯示。利用高精度的高分彩色數(shù)字正射影像作為底圖，結(jié)合平面線位設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，可直接對(duì)公路改擴(kuò)建設(shè)計(jì)方案的成果進(jìn)行直觀形象的展示，從而進(jìn)一步服務(wù)于道路改擴(kuò)建工程的方案比選與優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

該項(xiàng)目采用機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，順利完成外業(yè)測(cè)繪工作，并提供了DEM、DOM、DLG等一系列的成果。通過(guò)工程實(shí)踐應(yīng)用，即在激光雷達(dá)技術(shù)支持下不僅數(shù)據(jù)成果精度高，而且可降低外業(yè)工作強(qiáng)度，尤其是在戈壁荒漠等人員相對(duì)困難到達(dá)的地方，能夠大量的減少人工成本，同時(shí)又能獲取高精度的地形測(cè)繪成果，提高外業(yè)工作效率，通過(guò)數(shù)據(jù)比較其成果精度完全滿足相關(guān)規(guī)范要求。