吳軍

（四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 918100）

0 引言

2021年，四川省高速公路通車里程突破8 600 km，然而隨著私家車數(shù)量的增長，四川省部分地區(qū)早期建設(shè)的高速公路已無法滿足人們舒適出行的要求，這就要求加快對高速公路的改造和擴建。本研究選取的研究對象遂寧至重慶高速公路擴容是《四川省高速公路網(wǎng)規(guī)劃（2019—2035年）》中新增的八條擴容路段中的一條，是成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈4 條高速通道成遂渝通道的組成部分。

改擴建的首要問題是獲取原有道路的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于遂渝高速于2007年建成通車，距今已有十幾年的時間，因長期維護，特別是瀝青路面的多側(cè)鋪設(shè)，導(dǎo)致原有的竣工資料已無法滿足改擴建高精度基礎(chǔ)資料的要求。僅依靠傳統(tǒng)測量的作業(yè)方式，即使用RTK 或全站儀采集數(shù)據(jù)，首先是作業(yè)效率較低、工作量較大、工期較長，人員在交通量非常大的高速公路上作業(yè)也存在很大的風(fēng)險；其次是測量斷面的數(shù)量問題，斷面數(shù)過少無法反映原有公路路面、邊坡等地形的實際情況，斷面數(shù)過多會導(dǎo)致工作量增加，從而導(dǎo)致工期延長。因此，針對高速公路改擴建工程對獲取高精度三維地表數(shù)據(jù)的需求，采用先進的激光雷達技術(shù)進行勘測，可快速、高效地獲取原有高速公路路面、道路兩側(cè)邊坡及構(gòu)造物的三維數(shù)據(jù)情況，為設(shè)計人員提供可靠的高精度基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 激光雷達

近年來，激光雷達技術(shù)發(fā)展迅速，并逐漸走向成熟，可在載人飛機、無人機、汽車等載體上搭載激光雷達裝置，其集全球定位系統(tǒng)（GPS）、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）、激光掃描儀和光學(xué)攝影等先進技術(shù)于一體［1］。本研究采用機載激光雷達來獲取高速公路沿線影像和點云數(shù)據(jù)，采用車載激光雷達來獲取高速路面、高速路邊坡及兩側(cè)構(gòu)造物等點云數(shù)據(jù)，通過將二者融合，使獲得的數(shù)據(jù)密度更高、精度更優(yōu)，能更精準地反映出原有高速路的地表情況。

激光雷達是激光技術(shù)與現(xiàn)代光電探測技術(shù)融合的先進探測方式，其由信號發(fā)射系統(tǒng)、信號接收系統(tǒng)、信息處理等部分組成。激光器產(chǎn)生并發(fā)射一束光脈沖，該光脈沖打到物體后會反射回來，最終被接收器接收；接收器能準確地測量出光脈沖從發(fā)射到被反射回的時間，由于光速已知，對距離的測量即可轉(zhuǎn)換為對傳播時間的測量。結(jié)合激光器的高度、激光掃描角度，再通過GPS獲得激光器位置、通過INS 獲取激光的發(fā)射方向，就可準確地計算出每一個地面光斑的橫縱豎（X、Y、Z）坐標值［2］。通過激光雷達附帶的高清晰照相機可同時獲取高精度影像數(shù)據(jù)。

2 激光測距設(shè)計與實現(xiàn)

四川省交通設(shè)計院承接了遂渝高速擴容項目，該項目起于成南高速桂花互通，與成南高速、遂回高速形成十字樞紐互通，路線沿原遂渝高速進行擴容，經(jīng)遂寧市船山區(qū)、經(jīng)開區(qū)、高新區(qū)、安居區(qū)，止于川渝省界的書房壩處，與遂渝高速擴容重慶段相接，全長約為46.5 km。全線沿道路中心線兩側(cè)交叉布設(shè)74 個四等控制點，在此基礎(chǔ)上進行像控點測量、路面靶標測量、航空攝影測量、三維點云數(shù)據(jù)采集、點云精度檢查等工作，最后結(jié)合機載與車載點云數(shù)據(jù)形成最終成果?？傮w技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 總體技術(shù)路線

機載激光雷達采用羅賓遜R44直升機作為飛行平臺和瑞格公司生產(chǎn)的HS-1600低空激光掃描測圖系統(tǒng)，沿測區(qū)線路選取3 個控制點用于獲取航飛數(shù)據(jù)同步靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)。飛行相對高度為400 m、航高浮動允許范圍為100、航間距為250 m、飛行速度為120 km/h、照片拍攝時間間隔為100 ms。為了保證激光點云密度，掃描頻率設(shè)定為100 kHz、航向重疊度為69%～77%、旁向重疊度為41%～57%。像控點均勻分布于測區(qū)，因測區(qū)為帶狀，每2 km 布設(shè)一對像控點。

車載激光雷達以三菱越野車搭載瑞格公司生產(chǎn)的HS-1 600 低空激光掃描測圖系統(tǒng)。成果要求點云密度≥100 點/m2，高程中誤差優(yōu)于2 cm，路面點邊緣與道路寬度基本擬合。考慮到作業(yè)的安全性，將靶標點布設(shè)在應(yīng)急車道或路肩位置上，靶標高程糾正點約間隔150 m 布設(shè)一個，平面糾正點約間隔300 m布設(shè)一個，高速路雙向間隔約為150 m交叉布設(shè)。由于高速路的匝道視線不好，容易發(fā)生交通事故，故將靶標布設(shè)于互通匝道的起終位置。靶標布設(shè)主要采用十字形方式，由人工涂刷白色油漆，寬度約為10 cm，測量十字形的中心點位置。在外業(yè)測量時，要對靶標糾正點進行編號，且標記于現(xiàn)場，并存取奧維位置。靶標糾正點的平面坐標測量采用架設(shè)基準站，用對中桿架設(shè)RTK 進行測量，采集時間為60 s，高程采用徠卡電子水準儀進行四等水準測量。全路段共布設(shè)平面靶標點383 個，施測靶標水準高程點706 個。靶標水準按照15 km 左右的高速主線段落附合至項目水準控制網(wǎng)，精度統(tǒng)計見表1。

表1 靶標水準測量精度統(tǒng)計表

點云檢查點、線時，使用RTK 來采集高速公路應(yīng)急車道白線外邊緣?？紤]到高速路中央隔離帶產(chǎn)生的影響，還有匝道車輛上下等問題，為了能夠獲取最優(yōu)的數(shù)據(jù)成果，分別在高速路雙向車道進行兩次測量（見圖2、圖3）。為了使車載雷達的掃描區(qū)域能夠覆蓋更廣的范圍，提高數(shù)據(jù)覆蓋的完整性，部分地方的快慢車道都進行測量。

圖2 RTK靶標點測量

圖3 檢查線采集位置

在對外業(yè)數(shù)據(jù)采集完畢后，首先通過像控點和靶標點分別對預(yù)處理后的機載雷達和車載雷達點云數(shù)據(jù)進行整體平差與精度優(yōu)化，可在MicroStation平臺上面開發(fā)的TerraSolid軟件中的TerraScan模塊對點云數(shù)據(jù)進行細化分類。在進行分類處理前，用工作區(qū)及分類宏對整個工程項目的點云數(shù)據(jù)進行濾波處理，剔除部分空中、地面粗差的點。然后利用軟件法將地面和非地面的點云進行分類，再手動分出鐵搭和光纜線，最后進行人工檢查，利用TerraModeler 和TerraScan 模塊查看點云分類情況，對分類錯誤的點云進行改正。將分類處理后的點云導(dǎo)入外業(yè)測量的點云檢查點，檢查成果質(zhì)量（見圖4），對發(fā)現(xiàn)的問題找出根源并解決。

圖4 實測檢查線與點云套合檢查圖

3 結(jié)果分析

在該項目實施過程中，依據(jù)項目檢查內(nèi)容對關(guān)鍵工序質(zhì)量進行檢查，主要有以下4方面。

3.1 飛行質(zhì)量控制檢查

航向重疊度為69%～77%，旁向重疊度為45%～57%，影像質(zhì)量良好，紋理清晰，色彩均勻，無云霧遮擋、曝光過度等現(xiàn)象。

3.2 POS解算結(jié)果質(zhì)量檢查

POS 解算使用雙基站聯(lián)合平差解算，解算精度誤差滿足規(guī)范要求。

3.3 點云質(zhì)量檢查

點云數(shù)據(jù)格式為.las，采集到的數(shù)據(jù)分為高程檢查點、平面檢查點，用這兩類點分別對項目的高程、平面精度進行評估。高程檢查點外業(yè)共采集218 個點，經(jīng)統(tǒng)計得到的激光點云高程精度評定結(jié)果如下：平均高差為0.073 m、最小高差為0.001 m、最大高差為-0.290 m、中誤差為0.089 3 m，點云高程中誤差滿足規(guī)范中誤差小于0.35 m 的要求；平面實地檢測時，選擇不同地形、不同高程的點進行實測，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、硬質(zhì)地面明顯轉(zhuǎn)角處等容易在影像上分辨的地物，此測區(qū)共計616個外業(yè)實測檢查點。根據(jù)檢查結(jié)果得到的點云平面精度指標：平均平面差為0.094 m、最小平面差為0.005 m、最大平面差為0.174 m、中誤差為0.104 m，點云平面中誤差滿足規(guī)范中小于12 cm的要求。使用點云處理模塊TerraScan 自動檢測，得到全線點云密度平均值為590 點/m2。高速路面高程點檢查使用點云處理模塊TerraScan 自動檢測383 個高程點數(shù)據(jù)生成的激光點云精度報告。高程偏差最大值為0.034 m、高程偏差最小值為0.000 m、高程中誤差為0.012 m，高程精度誤差滿足低于2 cm 的設(shè)計要求。高速路面點云成果的平面精度檢查，采用特征檢查線對比距離檢查。檢查線采集675 處均勻分布于全線，對每條檢查線采集三點連線，采集線長4～5 m，與最終點云成果擬合車道線同一位置進行距離對比，距離值取檢查線與車道線之間的最大值。最大距離差為0.051 m，最小距離差為0.000 m，距離中誤差為0.018 m。

3.4 DOM質(zhì)量檢查

DOM 地面分辨率為0.037～0.050 m。DOM 影像色彩均勻、紋理清晰，滿足矢量化要求。DOM 投影方式及坐標系統(tǒng)采用與項目工程坐標系一致的工程獨立坐標系，即橢球CGCS2000，中央子午線為105°30'，投影高為300 m。DOM 平面精度檢查采用實測地物與影像上的地物進行對比。實地檢測時，選擇不同地形、不同高程的點進行實測，以分析地形狀態(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、硬質(zhì)地面明顯轉(zhuǎn)角處等容易在影像上分辨的地物，此測區(qū)共計616 個外業(yè)實測檢查點。平均平面差為0.105 m、最小平面差為0.008 m、最大平面差為0.213 m、中誤差為0.115 m，影像平面中誤差滿足小于12 cm的要求。

在車載激光雷達測量的靶標布設(shè)中，共布設(shè)三類靶標，分別為“X”型、“O”型及“”型。其中，“X”型作為主要靶標點，均勻地分布在高速路應(yīng)急車道上；“O”型及“”型作為試驗靶標點，主要分布在收費站外側(cè)道路上。通過試驗發(fā)現(xiàn)，“O”型靶標在內(nèi)業(yè)作業(yè)中較難捕捉其圓心，“”型靶標在內(nèi)業(yè)中能較好地捕捉其扇形交叉點，但在外業(yè)涂刷靶標時比較費時，且圖形有時涂刷不準確。最終，仍使用“X”型靶標，在外業(yè)涂刷時較為方便，且內(nèi)業(yè)捕捉交叉點也較準確。

4 結(jié)語

在對既有遂渝高速公路改擴建中，對既有路面的高程精度要求較高，因此采用車載激光雷達方法進行測量。但車載點云與航測點云數(shù)據(jù)存在交叉部分，且兩種點云數(shù)據(jù)量非常大，融合非常困難。內(nèi)業(yè)組通過安排多名參與過成南高速擴容項目的優(yōu)秀技術(shù)人員，參考成南高速擴容的相關(guān)經(jīng)驗，并在此基礎(chǔ)上改進作業(yè)方法，通過多次檢查、修改點云融合部分的成果數(shù)據(jù)，最終使車載點云數(shù)據(jù)與航測點云數(shù)據(jù)實現(xiàn)較好的融合，給設(shè)計人員提供精度可靠的成果數(shù)據(jù)。激光雷達點云巨大的數(shù)據(jù)量為三維數(shù)據(jù)成果的精度提供保障，但仍須對點云平差、分類進行更加深入的研究，使點云分類更快速、高效。