輕型機(jī)載激光雷達(dá)航測在公路勘測設(shè)計中的應(yīng)用研究

邱澤瑋

（中晟地理信息有限公司，湖北 武漢 430070）

機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR）測量系統(tǒng)是集激光測距技術(shù)、GPS 技術(shù)和慣性導(dǎo)航（INS）技術(shù)于一體的集成技術(shù)，是當(dāng)今勘察測量業(yè)界最先進(jìn)的技術(shù)。隨著無人機(jī)低空航測技術(shù)的廣泛應(yīng)用，將輕小型激光雷達(dá)測量系統(tǒng)搭配無人機(jī)航測設(shè)備進(jìn)行工程勘測，兼具效率、精度及勘測成果的多元化。利用該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高自動化、高機(jī)動性勘測，且成果生產(chǎn)的周期相對較短，測繪成果精度較無人機(jī)普通數(shù)碼航測高[1]。在成果種類上，與傳統(tǒng)野外勘測相比，能額外提供數(shù)字表面模型（DSM）、數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像（DOM）及高精度點(diǎn)云。因此，在公路勘測設(shè)計中，為了提高勘測作業(yè)效率、提供多元化的勘測成果，要強(qiáng)化對輕型機(jī)載激光雷達(dá)航測技術(shù)的應(yīng)用。

1 工程概況

1.1 測區(qū)概況

本文以南京至鹽城高速公路工程勘察設(shè)計項(xiàng)目NY-SJ-2 標(biāo)為試驗(yàn)對象。NY-SJ-2 標(biāo)從高郵南（截止到京杭運(yùn)河特大橋橋尾）至鹽靖高速（含鹽靖樞紐）約58 km。高郵—興化區(qū)段地貌區(qū)為里下河淺洼平原區(qū)，地貌單元為淺洼平原。測區(qū)范圍如圖1 所示。

圖1 測區(qū)范圍

1.2 項(xiàng)目任務(wù)

項(xiàng)目任務(wù)包含四個部分：基站聯(lián)測、參考面測量；機(jī)載LiDAR 航空攝影；數(shù)據(jù)處理（點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理以及1∶2000 比例尺DSM、DEM、DOM 制作）；1∶2000 地形圖（DLG）制作。

2 項(xiàng)目實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備

2.1 LiDAR 技術(shù)

機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)涵蓋很多現(xiàn)階段較為先進(jìn)的技術(shù)，包括激光測距技術(shù)、GPS 技術(shù)及慣性導(dǎo)航(INS)技術(shù)等。將這一技術(shù)應(yīng)用在公路勘測設(shè)計工程中，目的就是獲取高精度的數(shù)字表面模型，保證勘測效率和精度。

本項(xiàng)目中，激光雷達(dá)測量系統(tǒng)采用SkyEye 天眼激光科技有限公司的SE-J500C 系統(tǒng)（如圖2 所示），它集成了激光掃描儀、慣導(dǎo)系統(tǒng)及數(shù)碼相機(jī)，其中，數(shù)碼相機(jī)為Sony A7R；慣導(dǎo)系統(tǒng)型號為Applanix POS/AV 系列，采樣頻率100Hz；激光掃描儀的型號為RIEGL_VUX_1UAV，最大脈沖頻率550KHz，掃描角度330°，飛機(jī)采用北方天途航空技術(shù)發(fā)展有限公司的M6FC6 旋翼無人機(jī)（如圖3 所示）。

圖2 SE-J500C激光雷達(dá)航測系統(tǒng)

圖3 天途M6FC六旋翼無人機(jī)

2.2 LiDAR 航空攝影

航攝要嚴(yán)格按照要求執(zhí)行，如果出現(xiàn)絕對漏洞或其他嚴(yán)重缺陷需要補(bǔ)攝[2]。漏洞補(bǔ)攝時要結(jié)合以往的設(shè)計航跡開展工作。對于不影響內(nèi)業(yè)加密選點(diǎn)和模型連接的漏洞，只需補(bǔ)攝漏洞即可，實(shí)際航線如圖4 所示。

圖4 實(shí)際航攝航線

2.3 激光點(diǎn)云分類

（1）利用TerraSolid 軟件濾波（分離地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)）：該軟件基于不規(guī)則三角網(wǎng)原理，通過設(shè)定參數(shù)閾值進(jìn)行濾波。其主要的參數(shù)設(shè)置項(xiàng)為：Max building size、Terrian angle、Iteration angle 等，閾值大小取決于測區(qū)的地形以及植被的高低、密度等。 （2）將分離出來的非地面點(diǎn)進(jìn)行細(xì)分：根據(jù)點(diǎn)的高度、分布的形狀、密度、坡度等特征，對非地面點(diǎn)云進(jìn)行分類。對于形狀規(guī)則、空間特征明顯的地物（如建筑物、電力塔等），可通過參數(shù)設(shè)置，利用軟件自動提取。同時，采用人機(jī)交互方式輔助分類。也可利用基于反射強(qiáng)度、回波次數(shù)、地物形狀等的算法或算法組合，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行自動分類。

2.4 精度要求

DOM 不能有任何噪聲、污點(diǎn)、劃痕等，點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度應(yīng)大于1 個點(diǎn)/平方米。數(shù)字地面模型精度要求是 ：路線橫斷面數(shù)模提取精度應(yīng)滿足平面精度≤10 cm，高程精度≤5 cm。被交道路采集精度要求是：被交道路需按要求提取道路兩側(cè)邊線、行車線等路線元素，提取精度應(yīng)滿足平面精度≤5 cm，高程精度≤3 cm[3]。

3 數(shù)據(jù)處理以及成果制作分析

3.1 LiDAR 數(shù)據(jù)處理流程

應(yīng)用輕型機(jī)載激光雷達(dá)航測系統(tǒng)，針對數(shù)據(jù)處理層面，要按照LiDAR 數(shù)據(jù)處理流程（如圖5 所示）進(jìn)行。

圖 5 LiDAR數(shù)據(jù)處理流程

（1）針對導(dǎo)航文件制作。依照實(shí)際情況對POS 姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用，同時聯(lián)合應(yīng)用地面GPS 基站數(shù)據(jù)共同處理，以獲得相對精準(zhǔn)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)文件，提升測量效果和水平[4]。

（2）針對控制文件制作。在制作控制文件時，應(yīng)嚴(yán)格檢查，明確是否存在漏飛現(xiàn)象。然后結(jié)合覆蓋數(shù)據(jù)，采用科學(xué)手段制作控制文件。

（3）針對三維激光點(diǎn)云坐標(biāo)計算?？茖W(xué)處理原始激光數(shù)據(jù)，確保其可以成為原始的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后結(jié)合數(shù)據(jù)所測得的平面和高程控制點(diǎn)，對二者進(jìn)行校正，以精準(zhǔn)計算出地表目標(biāo)物的空間三維坐標(biāo)。

3.2 DEM 制作

通常情況下，DEM 是用激光數(shù)據(jù)的末次回波生成的，制作流程為：（1）格網(wǎng)化。依照點(diǎn)云的坐標(biāo)值，根據(jù)一定的點(diǎn)間隔，將經(jīng)過校正的點(diǎn)云數(shù)據(jù)插入規(guī)則格網(wǎng)中。然后劃分點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將其分成多個大小的圖幅[5]。（2）填補(bǔ)小縫隙。結(jié)合實(shí)際對經(jīng)過格網(wǎng)化的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行填充處理，可以用周圍點(diǎn)的灰度值填充影像中的小縫隙、小黑洞，提高高程值，確保沒有任何黑洞現(xiàn)象。（3）生成浮雕影像。利用相應(yīng)的技術(shù)手段，讓處理完成的數(shù)據(jù)生成浮雕影像，以便后續(xù)生成三維模型，直觀反映地表實(shí)際。（4）過濾。填充、去粗點(diǎn)工作結(jié)束后，還要進(jìn)行過濾處理。過濾時，要先進(jìn)行過濾參數(shù)試驗(yàn)，只有選好過濾參數(shù)，才能過濾好，進(jìn)而保證數(shù)據(jù)成果質(zhì)量，減少手工工作量。過濾參數(shù)試驗(yàn)結(jié)束后，將參數(shù)應(yīng)用于所有過濾命令中。（5）手工編輯。過濾后影像上有很多黑洞，大多是過濾掉地物遺留下來的，一般應(yīng)用程序無法將其過濾干凈，需要人工干預(yù)。（6）內(nèi)插。要想徹底清除影像上的黑洞，應(yīng)進(jìn)行內(nèi)插處理，利用黑洞周圍的高程點(diǎn)，將黑洞內(nèi)插上，保證地面具有較強(qiáng)的平坦性。（7）裁剪重疊區(qū)。內(nèi)插結(jié)束后，需要剪裁每幅影像邊緣的重疊部分，最終生成DEM 模型。

3.3 DOM 制作

首先，DOM 制作要進(jìn)行正射影像校正，利用生成的DEM，合理地對外業(yè)采集的影像進(jìn)行微分對糾正，以便在短時間內(nèi)生成單幅正射影像。其次，要進(jìn)行勻色。將獲取的影像導(dǎo)入Inpho 軟件，實(shí)現(xiàn)對正射影像的勻色處理，確保影像整體顏色協(xié)調(diào)、勻稱。再次，需要對編輯鑲嵌線進(jìn)行合理制作。最后，進(jìn)行影像分幅制作，最終生成正射影像DOM[6]。

4 結(jié)束語

在公路勘測設(shè)計中，利用輕型機(jī)載激光雷達(dá)航測技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高自動化、高機(jī)動性勘測，且勘測效率高、成果生產(chǎn)周期較短，測繪成果精度較高。然而，該技術(shù)雖較為先進(jìn)，但要想廣泛應(yīng)用于公路勘測設(shè)計項(xiàng)目，還需出臺相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)化應(yīng)用研究。