岳祥楠，朱 盼，楊淑芬

（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢）

引言

隨著我國(guó)綜合交通基礎(chǔ)設(shè)施的基本建成，為確保路網(wǎng)運(yùn)營(yíng)安全暢通，提升服務(wù)質(zhì)量，對(duì)現(xiàn)有公路進(jìn)行擴(kuò)容改建和提檔升級(jí)，逐漸成為交通運(yùn)輸行業(yè)的重點(diǎn)。公路改擴(kuò)建工程對(duì)測(cè)量的精度要求遠(yuǎn)高于新建道路工程，現(xiàn)有的道路改擴(kuò)建勘測(cè)大多采用低空航空攝影測(cè)量輔之以人工上路實(shí)測(cè)的方法，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不僅會(huì)干擾正常交通秩序，還存在較大安全隱患，在效率、安全和成本等方面均難以滿足我國(guó)日益增長(zhǎng)的公路改擴(kuò)建工程需求。

三維激光掃描測(cè)量技術(shù)（Light Detection and Ranging，LiDAR）[1]是近年來(lái)興起的高新測(cè)繪技術(shù)，可快速獲取地面三維坐標(biāo)，具有數(shù)據(jù)精度高、點(diǎn)云密度大等優(yōu)勢(shì)。陳楚江、余紹淮等[1-2]研究了直升機(jī)機(jī)載激光測(cè)量技術(shù)在公路勘察中的應(yīng)用，并利用“高空+低空”兩次飛行生成滿足公路改擴(kuò)建詳測(cè)與施工圖設(shè)計(jì)精度要求的激光數(shù)據(jù)。張霄、羅博仁等[3-4]進(jìn)行了車載激光測(cè)量在公路改擴(kuò)建項(xiàng)目中的應(yīng)用實(shí)踐。公維強(qiáng)，林偉恩，孟凡利等[5-7]進(jìn)行了不同搭載方式的激光雷達(dá)在公路勘察中的應(yīng)用研究。琚寶林，顧鵬飛等[8-9]將無(wú)人機(jī)LiDAR 應(yīng)用于公路工程勘測(cè)。研究表明LiDAR測(cè)量技術(shù)可快速獲取既有道路路面及道路周邊的三維地形信息，可在不中斷現(xiàn)有交通情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)道路交通設(shè)施基本信息的安全、高精度和快速獲取。

公路改擴(kuò)建工程通常需要采集公路設(shè)計(jì)線位兩側(cè)各150～200 m 范圍內(nèi)三維地形數(shù)據(jù)，本文提出基于多平臺(tái)LiDAR 測(cè)量技術(shù)的公路改擴(kuò)建工程勘測(cè)設(shè)計(jì)方法，利用無(wú)人機(jī)LiDAR 技術(shù)獲取道路兩側(cè)三維空間數(shù)據(jù)，而在車流量較小時(shí)進(jìn)行車載LiDAR 測(cè)量，獲取路面范圍內(nèi)更高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，兩者都不會(huì)中斷交通。

1 多平臺(tái)LiDAR 測(cè)量技術(shù)公路改擴(kuò)建勘測(cè)方法

高速公路改擴(kuò)建工程對(duì)路面和路外的精度要求不同，基于多平臺(tái)的LiDAR 測(cè)量技術(shù)可快速獲取公路改擴(kuò)建項(xiàng)目所需的基礎(chǔ)測(cè)繪資料，其主要工作原理見圖1。

圖1 多平臺(tái)LiDAR 測(cè)量技術(shù)公路改擴(kuò)建勘測(cè)方法

1.1 無(wú)人機(jī)LiDAR 測(cè)量技術(shù)

無(wú)人機(jī)LiDAR 測(cè)量視角開闊，不易被遮擋，自上而下的掃描視角和多次回波采集數(shù)據(jù)也更容易穿透植被而獲取真實(shí)地表信息，數(shù)據(jù)更加完整。利用無(wú)人機(jī)LiDAR 可實(shí)現(xiàn)路線一定寬度范圍內(nèi)高精度激光點(diǎn)云與高分辨率彩色數(shù)碼影像的采集。

無(wú)人機(jī)LiDAR 測(cè)量外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，獲取的數(shù)據(jù)包括激光原始數(shù)據(jù)、地面基站觀測(cè)數(shù)據(jù)、飛行軌跡文件（POS）數(shù)據(jù)等。需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理:一是數(shù)據(jù)預(yù)處理，使用IE 軟件進(jìn)行POS 解算，而后使用HD數(shù)據(jù)融合軟件進(jìn)行點(diǎn)云融合得到LAS 格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；二是進(jìn)行點(diǎn)云精度檢查；三是進(jìn)行選擇合適的分類參數(shù)進(jìn)行地面點(diǎn)分類，輔以人工檢查編輯，獲取實(shí)際地面點(diǎn)云，完成數(shù)字高程模型（DEM）制作，并基于DEM、原始彩色影像、POS 等數(shù)據(jù)生產(chǎn)數(shù)字正射影像圖（DOM），生產(chǎn)縱橫斷面等。

1.2 車載LiDAR 測(cè)量技術(shù)

無(wú)人機(jī)LiDAR 測(cè)量獲取的點(diǎn)云對(duì)路面標(biāo)識(shí)線無(wú)法準(zhǔn)確辨識(shí)，而車載LiDAR 可獲取高精度的三維密集點(diǎn)云，用于提取公路改擴(kuò)建所需的既有公路路面車道標(biāo)識(shí)線、中央分隔帶、護(hù)欄等信息，是以汽車為載體，搭載激光掃描儀，在汽車的正常行進(jìn)過(guò)程中快速采集路面基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

為滿足公路改擴(kuò)建勘測(cè)要求，路面范圍內(nèi)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果平面中誤差不大于0.05 m、高程中誤差不大于0.02 m，需沿既有公路路面上布設(shè)一定數(shù)量的靶標(biāo)控制點(diǎn)用于精度糾正。靶標(biāo)控制點(diǎn)的布設(shè)原則為沿既有公路兩側(cè)每隔400 m 布設(shè)1 個(gè)，兩側(cè)交叉布設(shè)，即可保證道路兩側(cè)每隔200 m 左右有一個(gè)靶標(biāo)控制點(diǎn)，靶標(biāo)控制點(diǎn)在道路上的布設(shè)方案見圖2。

圖2 激光點(diǎn)云靶標(biāo)控制點(diǎn)分布示意

靶標(biāo)控制點(diǎn)的平面位置采用GPS-RTK 平滑采集，高程按四等水準(zhǔn)要求測(cè)量。利用道路兩側(cè)交叉布設(shè)的靶標(biāo)控制點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云高程和平面的精化處理，從而提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度，以達(dá)到公路改擴(kuò)建勘測(cè)設(shè)計(jì)的精度要求。

2 工程應(yīng)用與分析

為了驗(yàn)證多平臺(tái)LiDAR 測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于公路改擴(kuò)建勘測(cè)方法的有效性，選取沈陽(yáng)至海口國(guó)家高速公路火村至龍山段改擴(kuò)建工程（簡(jiǎn)稱北二環(huán)改擴(kuò)建項(xiàng)目）進(jìn)行了試驗(yàn)。

2.1 項(xiàng)目概況

北二環(huán)高速是廣州北部貫通東西的重要通道，近年來(lái)交通量快速增加，而且大型過(guò)境貨車多、重載交通量大，造成服務(wù)水平下降，為保障車輛通行安全順暢，迫切需要對(duì)其進(jìn)行改擴(kuò)建。北二環(huán)改擴(kuò)建項(xiàng)目路線起始于與廣深高速相交的火村互通，終止于與廣清高速相交的龍山互通，并與東二環(huán)、西二環(huán)高速公路相接，改擴(kuò)建路線全長(zhǎng)約38.4 km。

數(shù)據(jù)采集范圍為道路中線兩側(cè)各150 m，無(wú)人機(jī)LiDAR 測(cè)量視角開闊，一去一回兩條航帶即可完成道路兩側(cè)數(shù)據(jù)采集，但其路面精度很難達(dá)到公路改擴(kuò)建項(xiàng)目勘測(cè)精度要求，車載LiDAR 測(cè)量可獲取完整、更高精度的路面信息，但由于掃描高度和視角的限制，受道路兩旁建筑物以及樹木的遮擋，無(wú)法覆蓋全部測(cè)區(qū)。因此無(wú)法采取單一LiDAR 測(cè)量技術(shù)，故北二環(huán)改擴(kuò)建項(xiàng)目采用多平臺(tái)LiDAR 測(cè)量協(xié)同作業(yè)方法。

2.2 多平臺(tái)LiDAR 與數(shù)據(jù)處理

本項(xiàng)目激光雷達(dá)設(shè)備采用中海達(dá)ARS-1000L 三維激光移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，分別采用無(wú)人機(jī)LiDAR 和車載LiDAR 對(duì)項(xiàng)目全線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，滿足精度要求后，對(duì)機(jī)載、車載LiDAR 測(cè)量得到的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了融合處理，并進(jìn)行相關(guān)生產(chǎn)應(yīng)用。

2.2.1 無(wú)人機(jī)LiDAR 測(cè)量與數(shù)據(jù)處理

本項(xiàng)目無(wú)人機(jī)LiDAR 測(cè)量采用科衛(wèi)泰KWT 六旋翼無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)設(shè)備對(duì)項(xiàng)目全線進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，同步獲取測(cè)區(qū)設(shè)計(jì)線位兩側(cè)的激光點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目飛行相對(duì)高度為150～250 m，激光掃描儀開角為90°，掃描寬度為300 m。

表1 無(wú)人機(jī)LiDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計(jì)(單位：m)

2.2.2 車載LiDAR 測(cè)量與數(shù)據(jù)處理

本項(xiàng)目車載LiDAR 測(cè)量采用汽車搭載激光雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，掃描過(guò)程中車速應(yīng)控制在60～70 km/h，盡量保持勻速行進(jìn)。車載LiDAR 測(cè)量數(shù)據(jù)處理包括POS 解算與點(diǎn)云融合、點(diǎn)云精化處理，精度檢查。

表2 車載LiDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計(jì)(單位：m)

2.3 多平臺(tái)LiDAR 測(cè)量技術(shù)應(yīng)用

2.3.1 既有道路車道線識(shí)別

在公路改擴(kuò)建勘察設(shè)計(jì)階段，需要全面掌握既有道路的平縱橫線形參數(shù)、路線樁號(hào)等信息。基于車載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的強(qiáng)度信息，可恢復(fù)4 條車道標(biāo)識(shí)線，分別為中央分隔帶附近2 條車道線和靠道路外側(cè)護(hù)欄的2 條車道線，用于道路平縱橫線型擬合，見圖3。

圖3 既有車道標(biāo)識(shí)線提取示意

2.3.2 縱橫斷面線快速提取

縱橫斷面測(cè)量是公路勘察設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要工作，目前主要采用的方法是先利用GPS-RTK 或者全站儀放樣出中樁位置，然后再測(cè)出每個(gè)橫斷面點(diǎn)的高程，此方法需要耗費(fèi)大量的人力物力，且效率很低。而基于機(jī)載、車載LiDAR 融合點(diǎn)云數(shù)據(jù)，按中樁距離法/中樁左點(diǎn)法生成全線路線主線、互通、涵洞通道等縱橫斷面三維地面線數(shù)據(jù)，如圖4 所示，此方法生成的橫斷面對(duì)微小地貌形態(tài)特征表現(xiàn)的更為細(xì)致，且極大地減少了野外橫斷面測(cè)量工作。

圖4 橫斷面三維地面線

2.3.3 高壓線測(cè)量

傳統(tǒng)高壓線測(cè)量方法是采用全站儀免棱鏡方式測(cè)量電塔位置和高壓線懸高。測(cè)量工作量大且存在一定的安全隱患，同時(shí)路線一旦調(diào)整，又需要重新測(cè)量。多平臺(tái)LiDAR 測(cè)量技術(shù)通過(guò)激光點(diǎn)云獲取高壓電塔位置和高壓線懸高，即使路線方案調(diào)整也不需要重新測(cè)量，見圖5。

圖5 高壓電塔、電線激光點(diǎn)云

3 結(jié)論

公路改擴(kuò)建工程項(xiàng)目，既有公路交通流量大、勘測(cè)設(shè)計(jì)工期要求緊，獲取設(shè)計(jì)路線兩側(cè)三維地表信息及基礎(chǔ)資料較為困難。多平臺(tái)LiDAR 測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)LiDAR 和車載LiDAR 測(cè)量技術(shù)間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可有效解決車載LiDAR 測(cè)量在路面范圍以外的測(cè)量盲區(qū)和無(wú)人機(jī)LiDAR 難以滿足改擴(kuò)建既有公路路面測(cè)量精度要求的雙重問題。

（1） 無(wú)人機(jī)LiDAR 數(shù)據(jù)采集范圍廣，適用于3D數(shù)字產(chǎn)品和橫斷面生產(chǎn)，車載LiDAR 的點(diǎn)云密度和精度高，適用于既有公路路面測(cè)量及道路附屬信息提取；

（2） 多平臺(tái)LiDAR 測(cè)量技術(shù)不僅可以滿足公路改擴(kuò)建勘測(cè)的精度要求，使工作效率得到顯著提升，且不會(huì)不中斷交通，保證測(cè)設(shè)人員和儀器設(shè)備安全；

（3） 基于機(jī)載、車載LiDAR 融合處理后的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可生成任意位置、方向和寬度的橫縱斷面三維地面線數(shù)據(jù)，有利于改擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)方案比選與優(yōu)化，且方案變更也無(wú)需重新上路測(cè)量。