高桃峰

（四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610000）

1 項目概況及激光雷達(dá)測量的主要任務(wù)

南充至成都高速公路擴(kuò)容工程項目（勘察設(shè)計第A3標(biāo)段初步勘察設(shè)計項目K67+000～K144+800）主體工程的建設(shè)里程約77.8 km，項目位于四川省德陽市和遂寧市，途徑德陽市馮店鎮(zhèn)等若干鎮(zhèn)。

該激光雷達(dá)測量工作的主要任務(wù)分為：機(jī)載激光雷達(dá)航測按1∶500的精度控制、車載掃描總體精度按照1∶100的比例尺控制以及提供已經(jīng)分類的LAS格式彩色激光點(diǎn)云。

2 機(jī)載激光雷達(dá)測量作業(yè)流程

2.1 航線規(guī)劃及踏勘

根據(jù)項目需求，首先對作業(yè)區(qū)進(jìn)行整體了解，包括作業(yè)區(qū)內(nèi)的作業(yè)環(huán)境（GPS 信號遮擋情況，糾正點(diǎn)布設(shè)和施測方便程度，人員、設(shè)備、數(shù)據(jù)安全狀況，交通限制等）；再制定機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)作業(yè)的掃描路線、控制點(diǎn)和糾正點(diǎn)的布設(shè)方案，為該項目的航線規(guī)劃踏勘做準(zhǔn)備。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

為了充分保證航測成果的質(zhì)量，該數(shù)據(jù)采集使用的是中測瑞格掃描鷹HS-1600激光雷達(dá)系統(tǒng)，嚴(yán)格控制航攝飛行天氣條件、設(shè)備的參數(shù)設(shè)置、原始數(shù)據(jù)的存儲和運(yùn)輸、原始GPS/IMU數(shù)據(jù)、激光掃描數(shù)據(jù)、數(shù)碼影像數(shù)據(jù)、地面觀測數(shù)據(jù)、飛行記錄及地面基準(zhǔn)站參數(shù)、數(shù)據(jù)預(yù)處理成果質(zhì)量以及數(shù)據(jù)后處理成果質(zhì)量等技術(shù)環(huán)節(jié)；通過現(xiàn)場踏勘及附近控制點(diǎn)的位置情況確定起飛場地，最終完成項目數(shù)據(jù)的采集。

2.3 軌跡解算

通過地面基準(zhǔn)站的GPS數(shù)據(jù)以及對機(jī)載GPS數(shù)據(jù)的差分解算，精確確定航攝過程中飛機(jī)的航跡，再與IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合處理，得到飛機(jī)的姿態(tài)信息，并進(jìn)行平滑處理；通過對飛行過程的姿態(tài)和位置精度的分析評估慣導(dǎo)作業(yè)狀態(tài)，對數(shù)據(jù)精度進(jìn)行初步判斷。

2.4 DEM數(shù)據(jù)和DOM數(shù)據(jù)的制作

根據(jù)采集的基站GPS數(shù)據(jù)及航飛原始數(shù)據(jù)差分預(yù)處理解算點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用TerraSolid系列軟件處理激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像pos數(shù)據(jù)，進(jìn)行DEM數(shù)據(jù)和DOM數(shù)據(jù)的制作；制作過程嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求執(zhí)行。

2.5 成果整理及提交

加強(qiáng)項目組織管理及協(xié)調(diào)工作，進(jìn)行地物和等高線的編輯以及圖幅整飾；并經(jīng)實(shí)地調(diào)繪修改，完善地形圖。

3 車載激光雷達(dá)測量流程

3.1 踏勘

該項目主要使用 HS-1600車載激光掃描系統(tǒng)對測區(qū)內(nèi)已有的高速公路、互通匝道以及上跨道路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，經(jīng)過踏勘、糾正點(diǎn)布設(shè)和施測以及點(diǎn)云和照片數(shù)據(jù)的采集與處理，生產(chǎn)出項目需要的各項成果。

根據(jù)項目需求，先對作業(yè)區(qū)進(jìn)行整體了解，包括作業(yè)區(qū)內(nèi)作業(yè)環(huán)境（GPS 信號遮擋情況，糾正點(diǎn)布設(shè)和施測方便程度，人員、設(shè)備、數(shù)據(jù)安全狀況，交通限制等）[3]；制定移動測量系統(tǒng)的作業(yè)掃描行車路線、控制點(diǎn)以及糾正點(diǎn)布設(shè)方案。

3.2 基準(zhǔn)站控制點(diǎn)選點(diǎn)

由于該項目采用 CGCS2000 高斯投影坐標(biāo)系統(tǒng)和 1985國家高程基準(zhǔn)，而HS-1600車載激光掃描系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)為 WGS-84坐標(biāo)系，因此需要將采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換（七參數(shù)法）[2]。HS-1600車載激光掃描系統(tǒng)后處理軟件提供了坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)的解算功能[4]。使用作業(yè)區(qū)內(nèi)經(jīng)過檢核有效的高等級控制點(diǎn)進(jìn)行七參數(shù)計算，七參數(shù)解算時使用與機(jī)載同一套轉(zhuǎn)換點(diǎn)轉(zhuǎn)換參數(shù)。地面站布設(shè)與機(jī)載地面站一致。

3.3 標(biāo)靶糾正點(diǎn)布設(shè)與施測

一般情況下，靶標(biāo)控制網(wǎng)布設(shè)單側(cè)間隔300 m，雙向交叉間隔150 m，互通匝道處應(yīng)該分別布設(shè)在首尾段。同時，在GNSS信號受影響區(qū)域適當(dāng)加密（例如在進(jìn)出收費(fèi)站口前后都應(yīng)該增加靶標(biāo)點(diǎn)）；在測線首尾處的兩側(cè)車道布設(shè)靶標(biāo)點(diǎn)[5]。

考慮作業(yè)的安全性，該項目在高速公路中央隔離帶邊緣靶標(biāo)糾正點(diǎn)布設(shè)困難，布設(shè)時采用單邊應(yīng)急車道或路肩位置布設(shè)的方法，布設(shè)靶標(biāo)高程糾正點(diǎn)的間距不低于150 m，布設(shè)平面糾正點(diǎn)的間距不低于300 m。由于在高速路匝道施工存在困難，因此，互通匝道首尾布設(shè)。靶標(biāo)布設(shè)為十字形（如圖1所示），十字單條尺寸為 10 cm×60 cm，采取人工涂/刷白色油漆的方式確保點(diǎn)的穩(wěn)定，測量腳點(diǎn)在十字形的中心點(diǎn)，便于內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的處理識別，需要對靶標(biāo)糾正點(diǎn)進(jìn)行編號并在現(xiàn)場標(biāo)記，存取奧維位置，靶標(biāo)糾正點(diǎn)的平面坐標(biāo)施測采用GPS-RTK的方式，簡易三腳架對中桿架設(shè)平滑60 m得到，高程采用電子水準(zhǔn)儀四等水準(zhǔn)進(jìn)行施測。

3.4 車載激光掃描系統(tǒng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集

3.4.1 數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)備

地面站開機(jī)后，車載雷達(dá)系統(tǒng)開機(jī)做慣導(dǎo)初始化校準(zhǔn)。

3.4.2 掃描作業(yè)

由于實(shí)際采集路況復(fù)雜多變，因此，在行車掃描路徑設(shè)計完成后，需要到實(shí)地沿設(shè)計路徑模擬采集，要特別注意一些特殊路段（例如岔路口、單向路以及與設(shè)計中不一致的路段）并及時做好記錄。模擬采集完成后，根據(jù)實(shí)際情況對設(shè)計的行車路徑進(jìn)行針對性地調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的結(jié)果。正式掃描時，駕駛員只需要注意車速，不需要時刻注意路線，完全按照導(dǎo)航軌跡指示行車，進(jìn)而提高了作業(yè)效率。

在外業(yè)數(shù)據(jù)采集時，應(yīng)該將確認(rèn)修改后形成的數(shù)據(jù)采集路線規(guī)劃結(jié)果導(dǎo)入導(dǎo)航器中，作業(yè)時嚴(yán)格按照預(yù)設(shè)路線完成數(shù)據(jù)采集，避免重復(fù)和遺漏，提高作業(yè)效率。有突發(fā)情況（例如封路、新增限高和限行等）時，需要根據(jù)實(shí)際情況就近結(jié)束作業(yè)或者臨時改變采集路線；內(nèi)業(yè)處理時再調(diào)整、更新導(dǎo)航數(shù)據(jù)文件。

在實(shí)際作業(yè)時，掃描車應(yīng)該開啟雙閃模式，盡可能地減少其他車輛或者移動物體的遮擋，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)盲區(qū)。除了初始化和結(jié)束化以外，規(guī)范的掃描作業(yè)對結(jié)果也有顯著的影響，因此在實(shí)際掃描作業(yè)時應(yīng)該注意以下6點(diǎn)：1） 根據(jù)路面情況（是否存在中央隔離帶、道路寬度等）決定采取單向掃描或者雙向掃描，掃描作業(yè)時車行速度控制在80 km/h左右。2）在掃描作業(yè)時，作業(yè)車不得隨意變動車道，盡可能地減少變道次數(shù)。3） 掃描時，減少與同向車輛并排行駛的時間，避免出現(xiàn)遮擋。4） 掃描作業(yè)時離基站最遠(yuǎn)不能超過15 km。5） 單次掃描作業(yè)時間不能超過3 h。6） 遵守其他高精度作業(yè)的規(guī)范和要求。

3.4.3 掃描數(shù)據(jù)整理

移動測量系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)量較大，主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)、基站和流動站數(shù)據(jù)以及IMU數(shù)據(jù)等。每天完成掃描作業(yè)后應(yīng)該及時將數(shù)據(jù)拷貝至電腦中并進(jìn)行備份，根據(jù)情況每天清理系統(tǒng)中各個設(shè)備的存儲空間，以確保第二天的正常作業(yè)。

3.5 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

完成外業(yè)采集數(shù)據(jù)整理后，應(yīng)該及時進(jìn)行數(shù)據(jù)解算和精度評定，確保采集數(shù)據(jù)的有效性，對不合格的數(shù)據(jù)應(yīng)該及時補(bǔ)充采集。將已經(jīng)采集完成且有效的軌跡導(dǎo)出到基礎(chǔ)底圖（例如DOM ）中，便于查漏補(bǔ)缺和修改外業(yè)數(shù)據(jù)采集計劃。

3.5.1 軌跡解算

在進(jìn)行組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)解算前應(yīng)該開展格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)預(yù)處理等準(zhǔn)備工作。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒后，使用導(dǎo)航解算軟件PosPac MM8.1進(jìn)行解算。解算完成后，應(yīng)該使用軟件自帶的精度評估功能對解算結(jié)果進(jìn)行初步判斷，當(dāng)最大偏差超過限差時，應(yīng)該調(diào)整關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行嘗試解算；多次嘗試后誤差仍然較大時，應(yīng)該對其原因進(jìn)行分析并采取進(jìn)一步的措施，例如換用IE軟件進(jìn)行組合導(dǎo)航解算，當(dāng)2款軟件解算精度均較差時，應(yīng)該重新采集數(shù)據(jù)。當(dāng)結(jié)果符合預(yù)期精度時，就可以導(dǎo)出組合導(dǎo)航解算結(jié)果，以備后續(xù)解算點(diǎn)云數(shù)據(jù)時使用。

3.5.2 點(diǎn)云處理

軌跡解算完成后，生成WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)的點(diǎn)云初始數(shù)據(jù)，然后使用七參數(shù)轉(zhuǎn)換將點(diǎn)云坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換至目標(biāo)坐標(biāo)系。

圖1 靶標(biāo)樣式及測量方式

3.5.3 靶標(biāo)糾正

使用靶標(biāo)成果檢查點(diǎn)云成果高程平面精度，如果精度超限則需要進(jìn)行靶標(biāo)糾正。靶標(biāo)糾正采用TerraSolid點(diǎn)云后處理軟件，平面使用四參數(shù)分段糾正，高程使用擬合糾正。

4 航測精度檢查

4.1 檢測方式

“成南高速公路擴(kuò)改建項目”數(shù)據(jù)精度評估采用RTK作業(yè)方式，為了保持檢測點(diǎn)坐標(biāo)與激光點(diǎn)云坐標(biāo)系統(tǒng)一致，以解算激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基站為基準(zhǔn)進(jìn)行檢測點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。

采集的數(shù)據(jù)分為高程檢查點(diǎn)和平面檢查點(diǎn)，用這2類點(diǎn)分別對該項目的高程和平面進(jìn)行精度評估。

檢查點(diǎn)采集工作，擬以測區(qū)中線為基準(zhǔn)，均勻分布，采取多地形，多地物，以全面客觀的評價項目數(shù)據(jù)精度情況，在實(shí)際作業(yè)情況中，根據(jù)測區(qū)的特點(diǎn)，交通狀況，采集檢查點(diǎn)如下。

4.2 高程精度檢測

該項目外業(yè)共采集938個高程檢查點(diǎn)，除去斜坡及明顯粗差點(diǎn)（RTK信號為浮點(diǎn)時獲取值），可用938個地面高程點(diǎn)。高程點(diǎn)檢查使用點(diǎn)云處理模塊TerraSolid自動檢測938個高程點(diǎn)數(shù)據(jù)生成激光點(diǎn)云、空三解算DSM高程精度報告，采集點(diǎn)與激光點(diǎn)云、空三解算DSM對比。

根據(jù)點(diǎn)云高程檢查結(jié)果，將高差的絕對值分為0 cm～5 cm（含5 cm）、5 cm～10 cm（含10 cm）以及＞10 cm 3檔，經(jīng)統(tǒng)計得到結(jié)果，如圖2所示。

圖2 點(diǎn)云高程精度統(tǒng)計

根據(jù)DSM高程檢查結(jié)果，高差的絕對值分為0 cm～10 cm（含10 cm）、10 cm～20 cm（含20 cm）以及20 cm～25 cm 3檔，經(jīng)統(tǒng)計得到結(jié)果，如圖3所示。

圖3 DSM高程精度統(tǒng)計

4.3 平面精度檢查

在實(shí)地檢測時，選擇不同地形和不同高程的點(diǎn)實(shí)測，從而分析地形狀態(tài)對成果精度的影響。檢測對象包括圍墻轉(zhuǎn)角、四角方形建筑以及硬質(zhì)地面明顯轉(zhuǎn)角處等容易在影像上分辨的地物，該測區(qū)共計外業(yè)實(shí)測1251個檢查點(diǎn)。

平面檢查主要通過實(shí)測地物與影像及點(diǎn)云的地物進(jìn)行對比，通過肉眼辨別地物會存在的偏差，因此對比結(jié)果也會存在一定的誤差。該實(shí)測使用ARCGIS軟件及terrsolid軟件將實(shí)測地物坐標(biāo)點(diǎn)與點(diǎn)云及影像上地物進(jìn)行對比。

根據(jù)點(diǎn)云平面檢查結(jié)果，將精度分為0 cm～10 cm（含10 cm）、10 cm～20 cm（含20 cm）以及20 cm～30 cm 3檔，經(jīng)統(tǒng)計得到結(jié)果，如圖4所示。

根據(jù)影像平面檢查結(jié)果，將精度分為0 cm～10 cm（含10 cm）、10 cm～20 cm（含20 cm）以及20 cm～30 cm 3檔，經(jīng)統(tǒng)計得到結(jié)果，如圖5所示。

圖4 點(diǎn)云平面精度統(tǒng)計圖

圖5 影像平面精度統(tǒng)計

4.4 精度評價

該測區(qū)激光雷達(dá)航測工作，數(shù)據(jù)成果各項精度指標(biāo)滿足《合同》及規(guī)范的要求，各種數(shù)據(jù)齊全正確，資料整理完整，符合相關(guān)國家規(guī)范，成果質(zhì)量合格。

5 結(jié)語

激光雷達(dá)測量技術(shù)是當(dāng)代科技發(fā)展的必然產(chǎn)物，是數(shù)字化、信息化、互聯(lián)網(wǎng)相互結(jié)合、彼此作用的高性能集成系統(tǒng)，在高速公路擴(kuò)容項目中此項技術(shù)優(yōu)點(diǎn)很多，應(yīng)用廣泛，隨著專業(yè)人員的深入研究，激光雷達(dá)測繪技術(shù)逐漸成熟，也會被應(yīng)用到更多的領(lǐng)域，而在工程測繪中的應(yīng)用給測繪的效率和質(zhì)量帶來了質(zhì)的飛躍，也在一定程度上促進(jìn)了我國工程測繪工作的快速發(fā)展。