LiDAR技術(shù)在公路工程測量中的應用

賈 軍

(山西交通職業(yè)技術(shù)學院，山西 晉中 030619)

道路工程

LiDAR技術(shù)在公路工程測量中的應用

賈 軍

(山西交通職業(yè)技術(shù)學院，山西 晉中 030619)

依托某高速公路工程測量項目，采集大量LiDAR點云數(shù)據(jù)，并將掃描生成的DTM與現(xiàn)場勘測的數(shù)據(jù)進行對比分析，研究得出LiDAR掃描技術(shù)用于公路工程測量的精準度與影響因素，同時針對LiDAR掃描技術(shù)應用于公路工程測量的可行性進行了探討。

LiDAR技術(shù)；工程測量；精準度

1 試驗方案

1.1 試驗的儀器及性能

選用加拿大生產(chǎn)的ILRIS-3D激光掃描儀做為本次試驗勘測儀器。該儀器重11 kg，發(fā)射的光源為一級激光，安全性好，同時使用PDA無線遙控便于操作。

ILRIS-3D激光掃描儀的掃描勘測距離長，精準度高，完全符合公路勘測的要求。其主要技術(shù)性能指標如表1所示。

表1 ILRIS-3D激光掃描儀技術(shù)性能指標

1.2 工點的遴選

分別以某高速公路K86+700樁號的隧道進口處、K90+280樁號的隧道出口、K91+150樁號的隧道進口、K94+220樁號的隧道出口做為測試工點A、B、C、D，且4處工點均是山、平地結(jié)合的地形，植物覆蓋率較低。

1.3 試驗過程

2014年10月25日進場，10月26日～27日確定勘測試驗場地，在場地選擇上必須遵循以構(gòu)造物工點與植被覆蓋率適中的原則。同時，利用地面上的電線桿做為測量坐標點并進行標記(測量坐標點包括點云控制點與平面位置檢查點)。10月28日～30日進行LiDAR掃描，并測量標記的各三維坐標。11月1日～10日使用全站儀測量掃描范圍內(nèi)的地形散點。

由于ILRIS-3D激光掃描儀不具備對中定向功能，因此掃描時須進行布設，同時對點云控制點測量。此外，點云控制點決定著最終測量所得地形的質(zhì)量，因此將捆綁尖木棍的電桿做為本次試驗的點云控制點，以確保測量坐標點的清晰。

將掃描儀器置于視野開闊且平整的地方進行測試，同時在PDA無線遙控上設置好掃描的范圍與間距。本次試驗在范圍內(nèi)和點云控制點周圍的掃描間距分別設定為50 mm、5 mm。掃描的范圍、點間距與速度決定著儀器掃描所需時間，經(jīng)過在粗算，掃描間距為1 m時，使用ILRIS-3D激光掃描儀掃描1 km2范圍需花費8 min左右。

2 試驗數(shù)據(jù)處理分析

2.1 試驗數(shù)據(jù)處理

通過對A、B、C、D工點的掃描，共計得到掃描點11 494 365個。整個試驗需將各工點獨立進行掃描，且1次完成，確保點云塊之間無連接。然后將掃描點導入Poly Works隨機軟件包，依次對點云數(shù)據(jù)進行編輯、計算、顯示和輸出的處理。

(1)轉(zhuǎn)換坐標。根據(jù)標記點的掃描間距不同，將坐標點的位置通過Poly Works隨機軟件包進行選取。

通過見圖7對比分析可以發(fā)現(xiàn)，椒江流域內(nèi)，隨著日照時長的增減，水體懸浮泥沙濃度也隨之發(fā)生趨勢相同的波動，同時，二者決定系數(shù)R2達到0.7582，說明流域內(nèi)水體懸浮泥沙濃度與年內(nèi)日照時長有較強的相關(guān)性.

首先，選取點云圖上的測量標記點位置并輸入坐標，然后通過Poly Works隨機軟件包計算出點云與工程坐標系中匹配和轉(zhuǎn)換的精度。通過計算本次試驗工點A的轉(zhuǎn)換精度為3.16、工點B為4.57、工點C為3.45、工點D為4.63，精度均較高。

(2)篩選數(shù)據(jù)。在大量點云控制點中篩選出測量地形圖所需的點云(如地表的點云)做為測量地表的坐標，同時將地形圖不需要的點云(如植被)進行刪除處理。

(3)采集數(shù)據(jù)。完成坐標轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)篩選后得到實際測量目標所需的點云與點云坐標，本次測量在地形圖范圍內(nèi)共采集378 422個掃描點，這些掃描點能直接生成數(shù)字地面模型(DTM)，也能在某段間距內(nèi)插獲取該樣點的坐標與高程。

(4)建立數(shù)模。利用在測量地形圖范圍內(nèi)采集的掃描點建立數(shù)字地面模型。

2.2 精度分析

將試驗數(shù)據(jù)進行處理，分別得到測量標記點的平面坐標與間距為1 m、2 m、5 m的地面散點坐標。通過對比分析三維掃描儀測出標記點、實際現(xiàn)場測量點的平面坐標，計算出三維掃描的平面精度。將間距為1 m的地面坐標、高程分別生成DTM，并在DTM內(nèi)植入實際現(xiàn)場測量點的平面坐標，通過對比兩者的高程，可得到測量地形圖的高程精度；而橫向、縱向斷面的精度分別是以其斷面在DTM中的測量所得地形變化點的間距對比現(xiàn)場實際測得地形變化點的間距來獲取。

(1)地形圖的平面精度。由于本次測量過程中掃描范圍內(nèi)能準確測量的平面坐標點不多，故增加了65個坐標標記點輔助測量，在原平面坐標測量基礎上，輔助標記點還需利用2 s級全站儀將其水平角、垂直角與距離進行1次測量。為確保點云坐標的計算，分別在工點A、B、C、D的掃描區(qū)域內(nèi)選取4個測量標記做為點云控制點，而剩下的標記點用于平面坐標精度的確定。4個工點的平面精度試驗點數(shù)量分別為18、9、12、12個。因精度試驗點的數(shù)量較少，故本次試驗針對各工點的平面位置精度采取綜合分析，并計算得出各工點平面位置的平均誤差為4 cm，誤差范圍為7.6～0.5 cm。

(2)高程精度。由于高程點位數(shù)量過多，因此同樣需使用了2 s級全站儀對本次試驗的10 150個地形散點的水平角、垂直角與距離進行1次測量。通過測量，得出工點A、B、C、D的高程中平均誤差分別為10.1 cm、11.6 cm、10.4 cm、10.5 cm；最大誤差分別為16.8 cm、18.2 cm、16.1 cm、16.5 cm；最小誤差均為0 cm。

(3)地形圖的縱、橫斷面精度。據(jù)統(tǒng)計本次測量的中樁高程與橫向斷面的數(shù)量分別為108、105個，由此可知用于對比的中樁高程個數(shù)不多，無法得到準確的高程誤差范圍，因此本次試驗將工點A、B、C、D區(qū)域內(nèi)全部中樁高程進行綜合分析，得出其誤差為10.1 cm，并通過對比現(xiàn)場測量的高程，得出誤差范圍為17.3～1.2 cm。

根據(jù)中樁坐標和野外實際中樁測量時距離中樁的長度，將各地形變化點之間的高差從LiDAR內(nèi)進行采集，同時對比現(xiàn)場勘測所得的高差，得出本次試驗105個橫向斷面的中誤差變化范圍為10.7～2.4 cm。

2.3 精度評價

(1)根據(jù)上述可知，本次LiDAR試驗中地形圖平面位置的平均誤差為4 cm，誤差范圍為7.6～0.5 cm。工點A、B、C、D均在同一基礎控制點進行勘測，同時本次試驗使用J2級全站儀將控制點的水平角、垂直角、距離進行了一次回測，確定了勘測過程中基礎控制點的自身誤差并未引起點云控制點產(chǎn)生誤差。而造成地形圖平面位置出現(xiàn)誤差的主要原因為點云控制點的大小、測量精度以及掃描時數(shù)據(jù)處理引起誤差。分別以本次試驗點云控制點的測量精度m誤差=3 cm、實際測量標記點的對點誤差m對點=3 cm、點云控制點對中標記誤差m標記=1.5 cm為例，可計算出其主要原因造成的誤差m掃描。

通過LiDAR掃描所得的各精度進行對比，發(fā)現(xiàn)其對點精度為影響點云控制精度的主要原因。

(2)由LiDAR掃描地形散點形成數(shù)字地面模型的平面上截取工點A、B、C、D地形圖的高程精度平均誤差為11.7cm，而實際測得工點A、C、D的高程中平均誤差分別為10.1cm、10.5cm、10.4cm，將兩者進行對比發(fā)現(xiàn)掃描所得平面位置的誤差較

大。根據(jù)高差互差表可知，LiDAR掃描內(nèi)插高程整體上大于實際現(xiàn)場測量的高程，而造成其誤差的原因大致為：掃描范圍內(nèi)植被大多為低矮的草科植物，導致數(shù)據(jù)處理時數(shù)值不能準確及時的修改；現(xiàn)場勘測地形散點中使用的對中桿實際上可能處于地面內(nèi)。此外，測得縱向斷面的精度、誤差分布情況類似于LiDAR掃描地形散點的高程。

(3)本次試驗共計掃描105個橫向斷面，其誤差的范圍為10.7～2.4 cm，與地形平面測量、中樁高程測量相比，其精度明顯高于兩者，造成這一現(xiàn)象的主要原因為橫向斷面是以地形變化點之間的相對高差進行測量的。

(4)通過試驗分析可知，使用LiDAR掃描形成數(shù)字地面模型的平面精度明顯要優(yōu)于高程精度，該掃描技術(shù)基本能夠滿足公路工程中測量精密地形圖與縱、橫向斷面所需的要求。

3 結(jié) 論

(1)在LiDAR系統(tǒng)掃描過程中，造成地形圖平面位置出現(xiàn)誤差的原因為點云控制點的大小、測量精度以及掃描時數(shù)據(jù)處理引起誤差。

(2)通過試驗可知，使用LiDAR掃描形成數(shù)字地面模型的平面精度明顯要優(yōu)于高程精度，因此LiDAR掃描技術(shù)滿足公路工程中精密地形圖與縱、橫向斷面測量所需的要求。

(3)LiDAR掃描系統(tǒng)進行地面測量時，如需進一步提高平面測量的精度，應優(yōu)先考慮云控制點精度的提高。

[1] 楊少偉，吳明先，符鋅砂.道路勘測設計[M].北京：人民交通出版社，2009.

[2] 吳芬芳，李清泉，熊卿.基于車載激光掃描數(shù)據(jù)的目標分類方法[J].測繪科學，2007，32(4)：75-77.

The application of LiDAR technology in engineering survey

JIA Jun

(Shanxi Traffic Vocational And Technical College, Jinzhong，Shanxi 030619,China)

Collect many LiDAR point cloud data based on the highway engineering survey project. Combine and analyze the DTM got by scanning and the site survey data. Study shows the accuracy and influence factors when using the LiDAR scanning technology into engineering survey. As well discuss the feasibility that use the technology into engineering survey.

LiDAR technology; engineering survey; feasibility

2015-07-08

賈軍(1978-)，男，山西太原人，講師，研究方向：工程地質(zhì)和工程測量。

U412

C

1008-3383(2016)02-0001-02