張友超

（山東省地質(zhì)測(cè)繪院，濟(jì)南 250002）

機(jī)載三維激光雷達(dá)技術(shù)在道路測(cè)量中的應(yīng)用，改變了以往公路勘測(cè)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方法，進(jìn)一步提高了測(cè)量效率，保障測(cè)量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度，推動(dòng)整體工作質(zhì)量的提升。

1 機(jī)載三維激光雷達(dá)技術(shù)概述

機(jī)載三維激光雷達(dá)技術(shù)是一種新型的空間信息采集技術(shù)，主要是利用發(fā)射高頻率激光脈沖，對(duì)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的地位展開(kāi)掃描作業(yè)，這樣可以采集大量的地面點(diǎn)云信息，如目標(biāo)物體的三維信息、幾何結(jié)構(gòu)和弱紋理等信息內(nèi)容。按照搭載平臺(tái)的不同，激光雷電系統(tǒng)包含星載、機(jī)載、車載和地面等類型，其中機(jī)載激光雷達(dá)的應(yīng)用較為廣泛。機(jī)載三維雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)技術(shù)、全球定位系統(tǒng)和慣性測(cè)量技術(shù)等進(jìn)行綜合整合，并以無(wú)人機(jī)為搭載平臺(tái)，可以對(duì)地面地形數(shù)據(jù)進(jìn)行高效快速的采集，而且數(shù)據(jù)精度比較高。該系統(tǒng)能夠獲得大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，而且其數(shù)據(jù)精度較高、數(shù)量豐富，在運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)受到外界因素干擾，其精度可以達(dá)到微米級(jí)，可以對(duì)地物進(jìn)行高精度還原，為建模創(chuàng)建良好條件。

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。激光脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)激光脈沖二極管出發(fā)，并通過(guò)靈棱鏡轉(zhuǎn)向目的地，然后由探測(cè)器接收其反射得到的信號(hào)，通過(guò)設(shè)備進(jìn)行記錄。并將其格式轉(zhuǎn)化為可以識(shí)別的數(shù)據(jù)資料，通過(guò)專門(mén)的軟件分析后，能夠得出實(shí)體模型。隨著高新技術(shù)的發(fā)展，高精度動(dòng)態(tài)差分GPS、慣性導(dǎo)向系統(tǒng)技術(shù)水平越來(lái)越高，可以利用影響機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)的誤差進(jìn)行誤差處理，從而獲得高精度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖1 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)工作原理圖

2 機(jī)載三維激光雷達(dá)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

機(jī)載三維激光雷達(dá)技術(shù)是對(duì)多種先進(jìn)技術(shù)融合的結(jié)果，具有較高的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，如數(shù)據(jù)密度較高，機(jī)載激光點(diǎn)云的采集間距不大，通常為1 m 左右。根據(jù)具體的需求還可以相應(yīng)地縮小該間距。在這樣的采集條件下，數(shù)據(jù)密度顯著提升，在真實(shí)地面高程模型的建立中有極大的優(yōu)勢(shì)。而在傳統(tǒng)的數(shù)字地面模型（DTM）測(cè)量中，平均點(diǎn)的間距在25 m 左右。可知，機(jī)載激光雷達(dá)（Li－DAR）測(cè)量技術(shù)有著更高的數(shù)據(jù)密度且精確度相對(duì)較高，該方式主要通過(guò)激光測(cè)量獲得機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其理論高程精度可以達(dá)到0.1 m，平面精度可以達(dá)到0.15 m；空三定位更為先進(jìn)，該技術(shù)融合了多種先進(jìn)技術(shù)，包括慣性導(dǎo)航技術(shù)（IMU）、全球定位系統(tǒng)（GNSS）等，空間定位更為精準(zhǔn)，打破了傳統(tǒng)航測(cè)中必須展開(kāi)大量地面像控點(diǎn)校正的工作模式；抗干擾的能力更好，該技術(shù)不會(huì)受到太陽(yáng)高度、陰影等因素的影響，穿透植被的能力也更強(qiáng)。在此基礎(chǔ)上，道路三維測(cè)試中的數(shù)據(jù)精度、真實(shí)度更高，數(shù)據(jù)處理速度也更快，一般來(lái)說(shuō)，10 d左右就能夠完成100 km 的公路測(cè)量；智能化、數(shù)字化水平較高，能夠利用全數(shù)字形式進(jìn)行測(cè)繪，直接獲得數(shù)字長(zhǎng)度信息，而且能夠?qū)?shù)據(jù)信息進(jìn)行穩(wěn)定性、便利化和智能化描繪；具有及時(shí)性和主動(dòng)性，能夠勘測(cè)自己發(fā)出的激光脈沖信號(hào)，并接收反射信號(hào)，以此來(lái)對(duì)目標(biāo)物樣貌進(jìn)行描繪，不受時(shí)空因素的限制，誤差較??；不需要接觸目標(biāo)物，就獲得實(shí)體的矢量化立體信息，在不接觸被測(cè)物的情況下對(duì)目標(biāo)物展開(kāi)精準(zhǔn)測(cè)量，并能夠一次性完成測(cè)量任務(wù)，對(duì)目標(biāo)物原型進(jìn)行高效還原，可以代替工作人員對(duì)危險(xiǎn)地段進(jìn)行目標(biāo)物掃描測(cè)繪。

3 機(jī)載三維激光雷達(dá)技術(shù)在道路測(cè)量中的應(yīng)用

在利用機(jī)載三維激光雷達(dá)技術(shù)對(duì)道路實(shí)時(shí)測(cè)量時(shí)，需要應(yīng)用到大比例尺線劃圖、數(shù)字高程模型（DEM）和線路縱橫斷面數(shù)據(jù)。利用該技術(shù)進(jìn)行道路測(cè)量可以提高測(cè)量設(shè)計(jì)效率，保障道路設(shè)計(jì)質(zhì)量，其中主要的作業(yè)流程如圖2 所示。

圖2 機(jī)載三維激光雷達(dá)技術(shù)在道路測(cè)量中的應(yīng)用流程

3.1 采集參數(shù)選擇

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量功能在具體應(yīng)用中具有獨(dú)特的參數(shù)特點(diǎn)，主要涉及激光點(diǎn)間隔、激光重疊度、影像地面分辨率和飛行高度等，這些參數(shù)的有效性應(yīng)用充分體現(xiàn)了激光雷達(dá)數(shù)據(jù)測(cè)量、采集功能的獨(dú)特性。其中激光點(diǎn)間隔是利用平均點(diǎn)間隔距離或者點(diǎn)數(shù)進(jìn)行表示的，通過(guò)這種方式可以對(duì)最終地面點(diǎn)的差值精度產(chǎn)生直接影響。當(dāng)點(diǎn)云密度值達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求后，隨著后期處理工作量的持續(xù)性增加，點(diǎn)云精度會(huì)越來(lái)越大，這種情況下由于分類錯(cuò)誤引起的誤差也會(huì)逐漸增大，基于需要結(jié)合工程實(shí)際情況，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)處理，全方位管控，避免出現(xiàn)邊緣變形誤差問(wèn)題，同時(shí)在展開(kāi)后期處理數(shù)據(jù)作業(yè)時(shí)，需要對(duì)重疊區(qū)域的激光點(diǎn)進(jìn)行剪切去除?；诖?，在地形起伏程度較小的情況下，需要對(duì)航線旁向的重疊度進(jìn)行合理控制，一般為22%左右，從而滿足使用需求。地面分辨率與成圖比例尺直接關(guān)聯(lián)，可以通過(guò)這種途徑對(duì)像素代表地面的實(shí)際距離進(jìn)行詳細(xì)描述和呈現(xiàn)。飛行高度設(shè)計(jì)和成圖的精度息息相關(guān)，同時(shí)也與激光設(shè)施設(shè)備、測(cè)區(qū)地形等緊密相聯(lián)。因此，需要結(jié)合工程具體情況，對(duì)相關(guān)參數(shù)展開(kāi)全方位、多角度的計(jì)算和詳細(xì)分析。在現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)發(fā)展背景下，激光器校驗(yàn)技術(shù)越來(lái)越精確，飛行高度對(duì)激光精度的限制不斷減小。機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)處理流程如圖3 所示。

圖3 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)處理流程

3.2 輔助地面控制測(cè)量

激光點(diǎn)云的高程精度在機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量中占據(jù)關(guān)鍵作用。通常情況下，需要設(shè)置契合性的地面基站，才能保障機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量的順利開(kāi)展，同時(shí)與地面控制測(cè)量的部分因素息息相關(guān)，如地面基站精確度、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、水準(zhǔn)面擬合精度和衛(wèi)星分布情況等。但是在機(jī)載激光雷達(dá)飛行中，對(duì)輔助地面基站測(cè)量工作的依賴性逐漸降低，然而技術(shù)難度增加，對(duì)等級(jí)、精度測(cè)量提出了更高的要求。

3.3 DOM 和DEM 制作

利用POM 數(shù)據(jù)信息，可以對(duì)外方位元素、相機(jī)參數(shù)迭代計(jì)算、影像鑲嵌和影像點(diǎn)云匹配等，能夠精準(zhǔn)制作數(shù)字正射影像圖（DOM），而且分辨率比較高，在道路測(cè)量設(shè)計(jì)可行性論證、初步合計(jì)和施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要作用。利用DOM 還可以分類判斷點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對(duì)地物進(jìn)行提取，并將其導(dǎo)入到專業(yè)軟件中，形成數(shù)字地形圖DEM。

3.4 數(shù)字線劃圖（DLG）繪制

在線路三維設(shè)計(jì)軟件運(yùn)行中，需要應(yīng)用到DLG 成果。但是機(jī)載三維激光雷達(dá)技術(shù)在應(yīng)用中配備的數(shù)碼相機(jī)并不是專業(yè)的航攝相機(jī)，其CCD 幅面比較小，難以利用立體測(cè)圖的方式精準(zhǔn)繪制大面積數(shù)字線劃圖（DLG）。通常情況下，需要通過(guò)DEM 自動(dòng)生成等高線、高程點(diǎn)，同時(shí)通過(guò)數(shù)字模型（DSM）對(duì)電力線、通訊線等信息進(jìn)行提取，然后融合DOM 對(duì)道路、房屋和水系等重要地物要素進(jìn)行矢量化處理，繪制DLG 圖，同時(shí)按照野外調(diào)繪位置，對(duì)地下管線進(jìn)行精準(zhǔn)描繪。對(duì)機(jī)載三維激光雷達(dá)技術(shù)相對(duì)敏感的地面上，電力和通訊線等地物信息可以從影像上直接獲取，也可以通過(guò)特定算法獲取矢量圖。針對(duì)植被覆蓋較為嚴(yán)重的區(qū)域可以減少人工外業(yè)調(diào)繪作業(yè)。

3.5 斷面數(shù)據(jù)采集

在道路測(cè)量設(shè)計(jì)工作中，橫斷面的測(cè)量任務(wù)非常重要，斷面是計(jì)算工程數(shù)量的重要數(shù)據(jù)依據(jù)，只有提高斷面數(shù)據(jù)的測(cè)量精度，才能保障工程數(shù)量計(jì)算的精準(zhǔn)性。在以往的道路測(cè)量工作中，往往需要人工野外采集，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，整體效果效率低，危險(xiǎn)區(qū)域的數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確性采集。而在機(jī)載三維激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用背景下，可以對(duì)激光點(diǎn)云進(jìn)行詳細(xì)劃分，即使是針對(duì)植被覆蓋較為密集的區(qū)域，也能夠采集較為精準(zhǔn)的DEM，從而解決傳統(tǒng)航測(cè)技術(shù)中的難題，在高精度DEM 的基礎(chǔ)上，對(duì)道路上任意點(diǎn)的橫斷面進(jìn)行批量測(cè)繪，簡(jiǎn)化斷面采集流程，提高整體工作自動(dòng)化，縮短工作時(shí)長(zhǎng)，提高數(shù)據(jù)采集效率和精準(zhǔn)性，減少野外測(cè)量的人為失誤。

3.6 數(shù)字地面模型測(cè)繪

數(shù)字地面模型測(cè)繪，可以為道路勘測(cè)設(shè)計(jì)作業(yè)提供縱橫斷面數(shù)據(jù)，同時(shí)可以為三維道路輔助設(shè)計(jì)通過(guò)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)。數(shù)字地面模型包含3 種數(shù)據(jù)源：攝影測(cè)量、地形圖數(shù)字化和野外實(shí)測(cè)。地形圖數(shù)字化由于受到地形原圖精度、掃描矢量化精度等因素的影響，難以滿足道路勘測(cè)設(shè)計(jì)的精度和速度要求；野外實(shí)測(cè)的測(cè)量精度比較高，但是測(cè)量速度不高，尤其在重丘、山地等地形中難以有效應(yīng)用；攝影測(cè)量技術(shù)可以提供高精度的帶狀地形圖，并可以建設(shè)數(shù)字地面模型，而且其精度與速度比較高，可以滿足道路勘測(cè)設(shè)計(jì)的精度與速度要求，但是較易受到天氣、植被和地形干擾。利用機(jī)載三維激光雷達(dá)技術(shù)可以對(duì)攝影測(cè)量技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行有效解決。

4 機(jī)載三維激光雷達(dá)技術(shù)在道路測(cè)量中的關(guān)鍵問(wèn)題

4.1 航攝飛行設(shè)計(jì)

這是激光雷達(dá)航攝工作中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，只有做好航攝設(shè)計(jì)才能保障道路測(cè)量工作的順利開(kāi)展，并保障采集數(shù)據(jù)的可行性，促進(jìn)數(shù)據(jù)采集成果的精度。在具體的航攝飛行設(shè)計(jì)之前，需要對(duì)測(cè)區(qū)的地形、地貌、機(jī)場(chǎng)位置和氣象條件等具體狀況進(jìn)行充分調(diào)查和分析，才能提高項(xiàng)目成果數(shù)據(jù)精度，并滿足安全、經(jīng)濟(jì)、周密和高效等要求。在具體實(shí)施中，需要按照三維激光雷達(dá)設(shè)備自身的特點(diǎn)，包含鏡頭焦距、曝光速度、激光掃描儀掃描角、掃描頻率和功率等，并對(duì)航帶重疊度、激光點(diǎn)距及影像分辨率等進(jìn)行綜合考量，從而選擇最佳的航攝參數(shù)，并獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，為道路測(cè)量提供技術(shù)支持。

4.2 坐標(biāo)和高程轉(zhuǎn)換

機(jī)載三維激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)在DGPS 雙差分精密單點(diǎn)定位技術(shù)支持下，快速獲取地面對(duì)象的三維坐標(biāo)信息。GPS 測(cè)量的成果為WGS-84 大地坐標(biāo)系，只有對(duì)定位結(jié)果坐標(biāo)、高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換問(wèn)題進(jìn)行良好處理，才能把機(jī)載三維激光雷達(dá)數(shù)據(jù)在道路測(cè)量設(shè)計(jì)工作中進(jìn)行應(yīng)用。平面坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換方法是布爾沙七三參數(shù)法。高程系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換比較方便操作，要獲得三維激光雷達(dá)數(shù)據(jù)點(diǎn)位的高程異常，從而實(shí)現(xiàn)激光數(shù)據(jù)的高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。

4.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理工作流程如圖4 所示。①基站架設(shè)?；静杉瘮?shù)據(jù)結(jié)果會(huì)對(duì)機(jī)載傳感器的整體偏差產(chǎn)生影響，進(jìn)而導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度受到干擾，因此，要對(duì)基準(zhǔn)站的建設(shè)地點(diǎn)進(jìn)行合理選擇，一般設(shè)置在測(cè)區(qū)周邊不會(huì)受到影響的較為空曠地區(qū)，基準(zhǔn)站通過(guò)CPRS 系統(tǒng)采集WGS-84 坐標(biāo)，在采集過(guò)程中需要滿足GPS 控制測(cè)量一級(jí)技術(shù)要求，其采集模式為靜態(tài)采集，衛(wèi)星高度角為15°，采樣間隔為15 s。②利用專業(yè)設(shè)備采集數(shù)據(jù)后，需要做好數(shù)據(jù)生成作業(yè)，其中機(jī)載三維激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)一次采集的原始數(shù)據(jù)包含GNSS 基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)、POS 采集數(shù)據(jù)、激光數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的生產(chǎn)要通過(guò)多個(gè)工作流程才能完成，包含基站數(shù)據(jù)處理、POS 數(shù)據(jù)解算、數(shù)據(jù)融合、測(cè)區(qū)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)求取和點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等。經(jīng)過(guò)這一過(guò)程生產(chǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要利用特定軟件把原始激光數(shù)據(jù)和POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行融合解算，然后將其轉(zhuǎn)換為國(guó)家當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系，并生成Las 格式點(diǎn)云數(shù)據(jù)。③點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，無(wú)人機(jī)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，而且受到激光反射信號(hào)強(qiáng)弱等因素干擾，獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)容易發(fā)生孤點(diǎn)、突變點(diǎn)和噪聲點(diǎn)等缺陷，需要做好點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云分類處理，從而對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化，并展開(kāi)精度分析工作。激光點(diǎn)云分類是內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是構(gòu)建數(shù)字地面模型、復(fù)雜場(chǎng)景建設(shè)后續(xù)應(yīng)用的重要基礎(chǔ)和前提，數(shù)據(jù)分類的結(jié)果會(huì)對(duì)后續(xù)測(cè)繪產(chǎn)品生產(chǎn)產(chǎn)生直接影響。點(diǎn)云分類技術(shù)是通過(guò)多種方法把海量離散、不連續(xù)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行有效識(shí)別和提取。④道路縱橫斷面繪制，對(duì)處理完成后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要利用專業(yè)軟件生產(chǎn)數(shù)字產(chǎn)品。分類后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)。然后利用專業(yè)軟件把道路樁位數(shù)據(jù)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)相結(jié)合，并實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的可視化。

圖4 工作流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，機(jī)載三維激光雷達(dá)技術(shù)在道路測(cè)量中發(fā)揮了重要作用，需要對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用流程、應(yīng)用要點(diǎn)等進(jìn)行全面分析，提高技術(shù)應(yīng)用水平，進(jìn)一步推動(dòng)機(jī)載三維激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用效果。