李 堅

（新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830002）

0 引言

隨著國家一帶一路戰(zhàn)略的實施，新疆加快了南北疆公路干線建設(shè)。新疆存在很多無人區(qū)，基礎(chǔ)設(shè)施項目實施起來難度很大，特別是前期的測繪工作，交通條件極差，作業(yè)環(huán)境極其惡劣，采用人工實地測繪方式，花費成本很高，同時也存在一定的危險性。隨著測繪新技術(shù)的發(fā)展，無人機載LiDAR掃描技術(shù)已經(jīng)非常成熟，由于其具有高效率、高精度、低成本、不受地形條件的限制等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于測繪領(lǐng)域中；而高精度的精化水準(zhǔn)面模型建立，GNSS高程測量精度提高，也為外業(yè)高程測量減少了工作量。如何將新興的測繪手段與項目實際情況結(jié)合起來，制定適宜的作業(yè)方案，提高測繪工作效率和產(chǎn)品的精度，降低作業(yè)人員的勞動強度和生產(chǎn)成本，需要測繪人員不斷去摸索方法、總結(jié)經(jīng)驗。

1 無人機航測系統(tǒng)

無人機載LiDAR掃描系統(tǒng)由無人機平臺系統(tǒng)和激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)（LiDAR）組成，無人機平臺系統(tǒng)一般選用垂直起降方式，通過旋翼提供升力，通過螺旋槳提供前進(jìn)驅(qū)動力，具有姿態(tài)穩(wěn)定性好、抗風(fēng)能力強、續(xù)航能力強、安全系數(shù)高特點。激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)包括GNSS、IMU、全畫幅相機、激光掃描儀等設(shè)備。通過無人機駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)組合應(yīng)用，以無人機作為飛行載體，利用激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)高速旋轉(zhuǎn)的高頻測距激光頭掃描得到以掃描中心為基準(zhǔn)的三維坐標(biāo)信息，GNSS采集高精度的定位數(shù)據(jù)，IMU則獲取高精度姿態(tài)數(shù)據(jù)，激光掃描儀則同步、快速、準(zhǔn)確地獲取空間三維信息且激光雷達(dá)脈沖能穿透樹林遮擋，直接獲取森林地區(qū)地表的高精度三維信息。采用無人機載雷達(dá)掃描采集地面點數(shù)據(jù)是一種集生產(chǎn)效益高、獲取數(shù)據(jù)精度高、全天候作業(yè)、直接獲取測區(qū)DEM和DSM、作業(yè)人員安全保障性高等眾多優(yōu)點的新型測繪作業(yè)模式，不受地形條件的限制，高速獲取地面模型點云數(shù)據(jù)；雷達(dá)掃描的免像控技術(shù)，通過架設(shè)數(shù)量較少的基站，替代大數(shù)量的外業(yè)像控點施測，從而大大減少外業(yè)工作量，提高工作效率。

2 精化水準(zhǔn)面模型

地球表面、似大地水準(zhǔn)面及參考橢球面是3個并不平行的曲面。利用GNSS方法測取的高程為大地高，其基準(zhǔn)面是參考橢球面；利用水準(zhǔn)測量方法獲得的高程為正常高，其基準(zhǔn)面為似大地水準(zhǔn)面。建立精化水準(zhǔn)面模型原理：通過獲取測區(qū)分布均勻的離散點獲得離散點似大地水準(zhǔn)面，通過測區(qū)的重地測量，利用大地測量學(xué)方法，求得格網(wǎng)重力似大地水準(zhǔn)面，最后通過球冠諧函數(shù)，將這些離散點似大地水準(zhǔn)面與格網(wǎng)重力似大地水準(zhǔn)面進(jìn)行擬合，可得到似大地水準(zhǔn)面的精化模型。隨著現(xiàn)代測繪技術(shù)的發(fā)展，建立的精化水準(zhǔn)面模型精度越來越高，而厘米級似大地水準(zhǔn)面模型的建立已經(jīng)可以改變部分傳統(tǒng)高程測量作業(yè)模式。精化水準(zhǔn)面模型的應(yīng)用，可以大大減少在水準(zhǔn)測量工作，特別是在通行條件困難地區(qū)，可以大大提高工作效率。

3 應(yīng)用實例

3.1 測區(qū)概況

塔克拉瑪干沙漠是中國最大的沙漠，位于新疆南疆塔里木盆地，俗稱“死?！保S吾爾語“不可跨越”的意思。擬建公路項目區(qū)位于塔克拉瑪干沙漠南部腹地，南起G315線南屯鎮(zhèn)，北至塔克拉瑪干沙漠中心塔中鎮(zhèn)，全長151.7 km，呈直線狀穿越塔克拉瑪干沙漠南部腹地，沿線地表均為裸露沙地，植被稀少，沙漠區(qū)交通條件惡劣，測區(qū)東北方向是塔中鎮(zhèn)至且末縣沙漠公路，西北方向是塔中鎮(zhèn)至民豐縣沙漠公路，南側(cè)是G315東西貫通，西南側(cè)有安迪爾鄉(xiāng)的沙漠公路抵近線路中部區(qū)，測區(qū)地理位置及交通情況如圖1所示。承接項目時間是2019年12月底，限期50天完成。主要測繪內(nèi)容：一是施測測區(qū)大地控制網(wǎng)，為公路測繪及施工提供空間位置基準(zhǔn)；二是測繪寬1200m的1︰1000比例尺帶狀地形圖，供擬建公路選線使用；三是測量選定線路的縱、橫斷面，為路線設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；項目的難點：一是測區(qū)為移動沙漠區(qū)，交通條件極其困難，沙漠專用車都難以逾越，人員更無法穿越；二是承擔(dān)項目時間正值12月底，測區(qū)最低氣溫達(dá)零下19℃，測繪人員無法野外露宿；若采用常規(guī)的測繪方法，這是一項無法完成的測繪任務(wù)。

3.2 技術(shù)方案設(shè)計及實施

技術(shù)路線：由于項目測區(qū)為移動沙漠區(qū)，地表均為軟沙地覆蓋，植被稀少，通行條件極差，適用無人機載雷達(dá)掃描作業(yè)。作業(yè)關(guān)鍵步驟有以下4步：第一，因地制宜布設(shè)、施測大地測量控制網(wǎng)，并求得點云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)；第二，利用機載雷達(dá)掃描采集測區(qū)地表點云數(shù)據(jù)；第三，對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行DGPS和IMU/GPS解算、大地定向等處理；第四，利用點云數(shù)據(jù)繪制1︰1000地形圖，提取公路縱、橫斷面數(shù)據(jù)。

根據(jù)機載雷達(dá)在掃描作業(yè)時需要在地面已知點架設(shè)基站，滿足基站至機載雷達(dá)掃描系統(tǒng)距離不超過50km。根據(jù)測區(qū)周邊的高等級國家水準(zhǔn)點分布位置，在擬建公路線路附近、人員能到達(dá)位置加密線路控制點，形成覆蓋測區(qū)首級控制網(wǎng)，如圖1所示，平均邊長約46km。平面控制測量：采用九臺天寶GNSS接收機，以靜態(tài)測量方式同步觀測，考慮到基線較長，觀測時間設(shè)定為大于或等于240min，觀測數(shù)據(jù)與新疆CORS網(wǎng)數(shù)據(jù)并網(wǎng)解算，平差過程加載新疆南疆區(qū)域似大地精化水準(zhǔn)面模型，可以計算得到控制網(wǎng)的WGS84坐標(biāo)系成果和CGCS2000坐標(biāo)系和85高程基準(zhǔn)的成果，利用這兩套坐標(biāo)成果可以求取得到點云數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換參數(shù)。高程控制測量：對加密控制點ST01、ST03、ST04進(jìn)行直接四等水準(zhǔn)測量，得到加密點四等精度高程成果。利用已知點的高程成果，一是可以檢核精化水準(zhǔn)計算成果的精度情況，二是可以再次優(yōu)化區(qū)域轉(zhuǎn)換參數(shù)精度。

圖1 測區(qū)位置及方案布設(shè)圖

數(shù)據(jù)采集采用大疆CW30無人機掛載RIEGL激光雷達(dá)系統(tǒng)通過掃描方式獲取， 按式=·/（為相對航高，為地面分辨率，為相機尺寸）可計算出相對航高為280m，航線間隔為450m（航帶重疊度按30%計算）。設(shè)計航帶數(shù)為4條，設(shè)定激光掃描密度為5點/m~6點/m。為提高采集數(shù)據(jù)的大地定向坐標(biāo)精度，在航攝過程中，在測區(qū)兩端地面架設(shè)ST01、ST04雙基站。由于線路較長且測區(qū)中部區(qū)域人員及車輛無法到達(dá)，起飛點選擇兩處，一是選擇南屯鎮(zhèn)北側(cè)5km的路邊，從南往北飛行，從起飛點向北飛行距離80km進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；二是選在測區(qū)北側(cè)塔中鎮(zhèn)往東南方向30km的沙漠公路邊，從北往南飛行80km進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；南、北兩片飛行區(qū)重疊區(qū)為5km。機載雷達(dá)激光掃描作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 機載雷達(dá)激光掃描儀點云數(shù)據(jù)采集作業(yè)流程圖

數(shù)據(jù)處理包括以下內(nèi)容：a）MU-GPS數(shù)據(jù)聯(lián)合解算。2臺GPS基準(zhǔn)站間距在30 km~50 km，合理布設(shè)地面基準(zhǔn)站可有效減少大氣誤差、電離層延遲誤差、對流層延遲誤差等，流動站安置在飛機上，將基準(zhǔn)站和流動站的采樣間隔均調(diào)設(shè)成1″，待航攝作業(yè)正常完成后，下載基站數(shù)據(jù)、流動站數(shù)據(jù)及MU數(shù)據(jù)，并進(jìn)行聯(lián)合解算，求出每個掃描點的外方位元素及其航跡線。b）激光數(shù)據(jù)處理。激光數(shù)據(jù)下載后首先對激光數(shù)據(jù)進(jìn)行檢校消除，加入原始點云的條帶數(shù)據(jù)，并加入軌跡文件，將軌跡號與航帶號進(jìn)行匹配，去除重疊部分的點云數(shù)據(jù)，利用測區(qū)區(qū)域轉(zhuǎn)換參數(shù)對激光數(shù)據(jù)進(jìn)行平面及高程融合（大地定向）。對不滿足要求的區(qū)域進(jìn)行人工外業(yè)實測，補測高程信息，或采用同期數(shù)碼影像基于立體像對補測特征點、特征線。c）點云數(shù)據(jù)的提取。對激光點進(jìn)行分類處理，提取地面點的點云數(shù)據(jù)。成片茂密植被區(qū)域點云數(shù)據(jù)的處理，利用激光脈沖穿透性，地面點和非地面點形成上下兩層，通過設(shè)置參數(shù)來自動濾波，除去大部分非地面點數(shù)據(jù)，再對自動濾波后數(shù)據(jù)進(jìn)行人工檢查，對個別區(qū)域進(jìn)行精細(xì)處理，以去除剩余明顯高于地面的植被點云數(shù)據(jù)點，經(jīng)過處理后的點云數(shù)據(jù)為凈地面點點云las數(shù)據(jù)。

該項目測區(qū)沙漠區(qū)，使用清華三維公司的eps軟件自動生成等高線、提取地面高程點功能，設(shè)置等高線基本等高距為1.0m、提取高程點密度為20m/點，利用點云數(shù)據(jù)生成等高線、提取高程點，編輯生成1︰1000地形圖。由于點云數(shù)據(jù)高程點密，利用點云數(shù)據(jù)生成地等高線更加精確，更加逼近真實地形。

斷面提取分三步：第一，確定擬建線路導(dǎo)線，根據(jù)地形圖判斷沙包的分布位置及地形起伏情況，按照公路選線規(guī)則，選定擬建線路的走向、繪制出線路導(dǎo)線圖；第二，設(shè)定路線導(dǎo)線起點、拐點及終點，設(shè)置好路線拐點的曲線要素值，如拐彎半徑、緩和曲線長值、圓曲線長值等以及路線縱斷面間距，利用軟件在點云數(shù)據(jù)上自動完成縱斷面數(shù)據(jù)提??；第三，設(shè)定提取橫斷面樁號與縱斷面樁號一致、橫斷面寬度，橫斷面點間距，在點云數(shù)據(jù)上自動完成提取橫斷面成果。

為驗證采用新技術(shù)方法測繪成果的可靠性，項目案例采用傳統(tǒng)的RTK測量方法，實地外業(yè)采集數(shù)據(jù)對點云數(shù)據(jù)、地形圖、斷面數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核、點位精度分析及誤差分布統(tǒng)計，可求出本次激光作業(yè)的點位誤差精度和高程中誤差精度。精度統(tǒng)計情況見表1。

表1 點云數(shù)據(jù)成果與RTK測量數(shù)據(jù)精度比較統(tǒng)計

4 結(jié)語

本次測繪任務(wù)利用高新測繪技術(shù)組合手段，在極端地形及天氣條件下快速、精準(zhǔn)地完成了測繪任務(wù)，并采用常規(guī)的測繪手段對作業(yè)成果進(jìn)行檢查驗證，確保測繪成果的可靠性。項目案例證實采用無人機激光雷達(dá)采集地形點的作業(yè)方法完全可以達(dá)到常規(guī)儀器測量的精度，完全可以滿足公路勘測設(shè)計對地形地物點基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的需要。同時項目工期從原計劃50天縮減到實際用時31天，縮短了工期，降低了成本，獲得了很好的項目效益，同時降低了測繪外業(yè)人員的工作強度及危險性。該文旨在總結(jié)項目經(jīng)驗，為荒漠無人區(qū)實施類似工程測繪項目提供一定的經(jīng)驗及參考。