車載Li DAR和傳統(tǒng)勘測在高速公路改擴(kuò)建工程中的應(yīng)用和對比

江智云

（浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，杭州310030）

1 引言

高速公路改擴(kuò)建工程需對既有公路平、縱面線形進(jìn)行測量，需在左右幅中央分隔帶邊緣和右側(cè)硬路肩外邊緣4 條線沿同一橫斷面線上布設(shè)測點[1]。設(shè)計人員根據(jù)左右幅中央分隔帶邊緣測點進(jìn)行平、縱精確擬合，對測點平面和高程精度有較高的要求，尤其是高程，例如，京藏高速公路石嘴山至中寧段改擴(kuò)建工程等項目提出平面精度優(yōu)于5cm，高程精度優(yōu)于2cm 的勘測要求[2,3]。實際上，在運營階段的高速公路上實施高精度高程測量，存在較大的難度和安全風(fēng)險。

高精度車載LiDAR 測量技術(shù)已廣泛應(yīng)用于高速公路改擴(kuò)建工程中，并有較成熟的應(yīng)用經(jīng)驗[4]，常用傳統(tǒng)公路勘測方法包括GNSS-RTK 測量、全站儀測量和水準(zhǔn)測量[5]。筆者依托浙江省某高速公路改擴(kuò)建項目，對2 種勘測方法的高程精度、效率、安全保障投入3 個方面進(jìn)行對比，提出高速公路改擴(kuò)建路面勘測方法的建議，對改擴(kuò)建項目中如何進(jìn)行路面勘測具有一定的參考意義。

2 方法應(yīng)用

2.1 工程概況

某高速公路改擴(kuò)建工程全長約137km，初測采用車載LiDAR 測量，從激光點云數(shù)據(jù)中獲取中央分隔帶邊緣白色熱熔實線（測點1）、各行車道虛線（測點2）、硬路肩左側(cè)白色熱熔實線（測點3）和硬路肩右側(cè)外邊緣瀝青路面線（測點4）等特征點。定測采用四等水準(zhǔn)結(jié)合全站儀免棱鏡測量方法進(jìn)行路面復(fù)測，連續(xù)復(fù)測其中約100km。

2.2 車載Li DAR測量應(yīng)用

2.2.1 應(yīng)用概況

沿高速公路硬路肩間隔1km 布設(shè)1 個靶標(biāo)，靶標(biāo)測量采用RTK 高程控制測量方法進(jìn)行，高程采用RTK 高程。分4 段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最長一段39km，每段架設(shè)2 個GNSS 基準(zhǔn)站，每個基準(zhǔn)站能夠覆蓋半徑10km 范圍，GNSS 基準(zhǔn)站接收機靜態(tài)數(shù)據(jù)采集間隔1s，測量車輛以40km/h 的速度行駛于硬路肩。點云數(shù)據(jù)經(jīng)靶標(biāo)控制校正后，以整20m 樁號提取各測點空間坐標(biāo)。

2.2.2 誤差情況

上述方法獲取的點云高程精度為基于RTK 高程，在每2 個標(biāo)靶中間增設(shè)一個檢核點，檢核點采用RTK 碎部測量，用于檢查激光點云與RTK 高程測量差值情況。共檢查372 點，最小差值-1.6cm，最大差值5.5cm，中誤差2.01cm。其中，誤差≤±2cm 的共214 點，占比57.53%；誤差＞±2cm 且≤±3cm 的共140 點，占比37.63%；誤差＞±2cm 且≤±3cm 的共18 點，占比4.84%。

2.3 傳統(tǒng)勘測方法應(yīng)用

2.3.1 應(yīng)用概況

先采用四等水準(zhǔn)將水準(zhǔn)高程從控制點引至硬路肩上，并設(shè)轉(zhuǎn)點，再采用RTK 放樣整20m 倍數(shù)樁號橫斷面上的測點3 和4，并用紅漆標(biāo)注，為確保作業(yè)安全，將測點3 向測點4 平移0.6m，測量水準(zhǔn)轉(zhuǎn)點坐標(biāo)用作全站儀測站點和定向點。接著四等水準(zhǔn)沿硬路肩施測，按照“后—后—前—前”的順序觀測，測站過程中同步記錄各測點讀數(shù)。全站儀完成設(shè)站和定向后，先對定向點觀測數(shù)據(jù)記錄，再采用免棱鏡對測站的測點1 和行車道線進(jìn)行碎部測量，測點間距控制15m 內(nèi)。四等符合水準(zhǔn)完成后，平差計算各讀數(shù)改正值，對各點進(jìn)行水準(zhǔn)高程改正，獲取水準(zhǔn)高程。

2.3.2 誤差情況

完成四等附合水準(zhǔn)路線35 條，最長8.31km，最大符合閉合差19mm，經(jīng)平差計算后，各轉(zhuǎn)點相對鄰近高程控制點精度達(dá)毫米級。測點3 和4 與四等水準(zhǔn)前后視同站觀測，經(jīng)改正后其精度亦能達(dá)毫米級。

免棱鏡對白色物體反射效果最好，精度達(dá)毫米級，與測距呈正比[6]。全站儀定向距離≤140m，碎部點距離≤70m，碎部點距離≤1/2 定向距離，理論上碎部點高程測量誤差≤定向高程差值。隨機抽取300 組全站儀定向高程差值，占總測站數(shù)19.6%，最大差值+19mm，最小差值-14mm，中誤差8.4mm。

20m 倍數(shù)樁號斷面上測點1 往往需要通過相鄰兩碎部點通過內(nèi)插獲取。隨機抽取相鄰連續(xù)3 點數(shù)據(jù)100 組，點相互平均間距14.6m，通過首尾兩點內(nèi)插獲取中間點內(nèi)插高程（最弱點）對比實測高程。差值絕對值最大為20mm，大于10mm 數(shù)據(jù)3 個，其余均小于10mm，內(nèi)插最弱點中誤差為7.43mm。

綜上所述，測3 和4 高程相對鄰近高程控制點誤差為毫米級，最接近真值。通過免棱鏡內(nèi)插獲得測點1 精度最弱，相對測點4 精度能夠控制在2cm 內(nèi)。

3 對比分析

3.1 精度對比

3.1.1 靶標(biāo)高程對比

初測階段靶標(biāo)和檢核點使用RTK 高程，定測階段利用測點3 和4 進(jìn)行內(nèi)插獲取對應(yīng)點位水準(zhǔn)高程。左右兩幅各對比329 組數(shù)據(jù)，左幅中誤差4.08cm，右幅中誤差4.22cm，左右幅差值趨勢基本一致，如圖1 所示。

圖1 左右幅靶標(biāo)兩階段高程差值柱狀圖

差值大于±3cm 雙向共291 處，其中198 處周邊存在（高）邊坡或上跨天橋或兩側(cè)植被茂密情況，有GNSS 信號受干擾的情況。在橋臺前后，存在個別誤差大于±5cm 的情況，系測量車經(jīng)過橋臺伸縮縫存在震動所致。說明高精度要求的高程測量，不宜采用RTK 方法，宜采用水準(zhǔn)測量，周邊存在邊坡等障礙物對RTK 高程影響較大。

3.1.2 測點1 高程對比

車載LiDAR 測量在硬路肩進(jìn)行，測點1（即公路縱面高程點）距離最遠(yuǎn)，相對精度最弱，左右幅各對比5 200 余組數(shù)據(jù)，2 個階段差值呈正態(tài)分布，詳見表1。左幅差值算術(shù)平均值為+0.79cm，中誤差為3.11cm；右幅差值算術(shù)平均值為+1.17cm，中誤差為3.84cm。

表1 兩階段測點1 高程差值統(tǒng)計表

除個別測量數(shù)據(jù)問題造成的粗差，通過對比2 個階段測點1 高程差值與靶標(biāo)、檢核點高程差值之間的關(guān)系，其趨勢基本一致，如圖2 所示（以右幅為例）。說明基于靶標(biāo)RTK 高程校正的點云高程精度基本等同RTK 精度，點云高程精度取決于靶標(biāo)高程精度。

圖2 2 個階段測點1 差值與靶標(biāo)差值對比圖

3.1.3 單幅路面兩側(cè)高差對比

單幅路面兩側(cè)高差即測點1 與測點4 高程之差，平均間隔1km 抽樣，左右幅共對比188 組數(shù)據(jù)。左幅最小差值-0.47cm，最大差值7.64cm，平均差值3.07cm；右幅最小差值-1.72cm，最大8.16cm，平均差值2.75cm；差值與路面寬度呈正比。差值≤1cm 和≥5cm 各10 處，占比5.3%；差值＞1cm 且≤3cm，106 處，占比56.4%；差值＞3cm 且＜5cm，62 處，占比33%。

點云獲取的高差較全站儀免棱鏡測量的高差整體偏大2～4cm，差值存在一定的系統(tǒng)性。利用路面橫向坡度理論值2%進(jìn)行核查，點云坡度大于2%，占77%，平均坡度2.19%，免棱鏡測量平均坡度1.94%。說明點云獲取的高差存在偏高的可能性，傳統(tǒng)勘測獲取的高差精度較為可靠。靶標(biāo)高程控制沿硬路肩呈線狀布設(shè)，有必要在路面橫向（中分帶處）進(jìn)行高程校正點布控，使高程控制呈網(wǎng)狀，以提高測點1 的精度。

3.1.4 提高點云精度的方法

提高點云精度，靶標(biāo)高程需采用四等水準(zhǔn)聯(lián)測，且布設(shè)越密越好。文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3] 提出靶標(biāo)間距為200m 的方案，根據(jù)實際作業(yè)情況，在硬路肩上進(jìn)行四等水準(zhǔn)測量，建議直接利用四等水準(zhǔn)各站前后視（其間距小于200m）高程和間隔1km 采用全站儀免棱鏡多測回方法獲取中分帶白線空間坐標(biāo)作為點云高程校正點使用。

3.2 效率對比

2 階段各投入2 組作業(yè)人員，投入情況如表2 所示，若采用結(jié)合四等水準(zhǔn)的車載LiDAR 測量，需增加作業(yè)員2 人，增加10～12 工日。實際工作中，傳統(tǒng)方法外業(yè)作業(yè)受天氣、節(jié)假日和交通管控等影響，歷時51d 完成。如表2 所示，不管采用何種車載LiDAR 測量方法，外業(yè)效率均大大高于傳統(tǒng)勘測方法。

表2 作業(yè)效率表

3.3 安全保障投入對比

為對交通影響降至最低，將工作區(qū)域設(shè)定在硬路肩。車載LiDAR 測量采用預(yù)警車跟隨預(yù)警方式進(jìn)行，投入預(yù)警車1 輛/組即可。傳統(tǒng)勘測方法采用硬路肩臨時封閉方式進(jìn)行，每次封閉2km，封閉3h，每日封閉2 次，至少投入預(yù)警車2 輛/組、配合封道人員3 人和警示錐等資源。若靶標(biāo)采用四等水準(zhǔn)測量，亦需采用硬路肩臨時封閉方法，單次封閉時間約可縮短一半。

4 結(jié)論與建議

綜上所述，得出以下結(jié)論和建議：

1）采用本文提出的傳統(tǒng)勘測方法高程能夠滿足相對鄰近高程控制點高程中誤差2cm 的要求，但外業(yè)作業(yè)效率低，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工序煩瑣，數(shù)據(jù)復(fù)雜，極容易造成數(shù)據(jù)錯誤，投入安全保障資源大，采用硬路肩臨時封閉對交通有一定影響，受天氣、交通管制等制約因素多，工期、進(jìn)度難以掌控。

2）車載LiDAR 測量作業(yè)效率較傳統(tǒng)勘測方法高數(shù)倍，上路作業(yè)時間短，安全風(fēng)險相對較低，長里程改擴(kuò)建項目宜采用結(jié)合四等水準(zhǔn)測量的車載LiDAR 測量。

3）車載LiDAR 測量獲取點云高程精度取決于靶標(biāo)高程精度，獲取高精度高程須進(jìn)行靶標(biāo)四等水準(zhǔn)測量，加密布設(shè)高程校正點。高速公路硬路肩進(jìn)行四等水準(zhǔn)測量，存在水準(zhǔn)路線穿越互通、樞紐匝道分（合）流口，存在較高安全風(fēng)險。中分帶高程校正點采用水準(zhǔn)測量，存在橫穿高速主線的極大安全風(fēng)險，建議利用免棱鏡多測回方法獲取。

4）對于高程精度優(yōu)于2cm 的勘測要求，不宜使用GNSSRTK 高程，只能采用水準(zhǔn)測量建議設(shè)計人員根據(jù)實際需求提出合理的高程勘測精度要求，比如，提高結(jié)構(gòu)物高程精度要求，降低路基路面高程精度要求。

5）施工階段后期的瀝青路面施工，高程精度需達(dá)毫米級，設(shè)計階段根據(jù)勘測縱橫斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行造面工程量控制較為困難，建議在施工階段結(jié)合路面特征碎部點水準(zhǔn)成果進(jìn)行縱坡擬合的動態(tài)設(shè)計。