無人機(jī)載LiDAR掃描技術(shù)在沙漠區(qū)域公路工程測繪中的應(yīng)用

李 堅(jiān)

（新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830002）

0 引言

隨著國家一帶一路戰(zhàn)略的實(shí)施，新疆加快了南北疆公路干線建設(shè)。新疆存在很多無人區(qū)，基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目實(shí)施起來難度很大，特別是前期的測繪工作，交通條件極差，作業(yè)環(huán)境極其惡劣，采用人工實(shí)地測繪方式，花費(fèi)成本很高，同時(shí)也存在一定的危險(xiǎn)性。隨著測繪新技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)載LiDAR掃描技術(shù)已經(jīng)非常成熟，由于其具有高效率、高精度、低成本、不受地形條件的限制等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于測繪領(lǐng)域中；而高精度的精化水準(zhǔn)面模型建立，GNSS高程測量精度提高，也為外業(yè)高程測量減少了工作量。如何將新興的測繪手段與項(xiàng)目實(shí)際情況結(jié)合起來，制定適宜的作業(yè)方案，提高測繪工作效率和產(chǎn)品的精度，降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本，需要測繪人員不斷去摸索方法、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

1 無人機(jī)航測系統(tǒng)

無人機(jī)載LiDAR掃描系統(tǒng)由無人機(jī)平臺系統(tǒng)和激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)（LiDAR）組成，無人機(jī)平臺系統(tǒng)一般選用垂直起降方式，通過旋翼提供升力，通過螺旋槳提供前進(jìn)驅(qū)動(dòng)力，具有姿態(tài)穩(wěn)定性好、抗風(fēng)能力強(qiáng)、續(xù)航能力強(qiáng)、安全系數(shù)高特點(diǎn)。激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)包括GNSS、IMU、全畫幅相機(jī)、激光掃描儀等設(shè)備。通過無人機(jī)駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)組合應(yīng)用，以無人機(jī)作為飛行載體，利用激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)高速旋轉(zhuǎn)的高頻測距激光頭掃描得到以掃描中心為基準(zhǔn)的三維坐標(biāo)信息，GNSS采集高精度的定位數(shù)據(jù)，IMU則獲取高精度姿態(tài)數(shù)據(jù)，激光掃描儀則同步、快速、準(zhǔn)確地獲取空間三維信息且激光雷達(dá)脈沖能穿透樹林遮擋，直接獲取森林地區(qū)地表的高精度三維信息。采用無人機(jī)載雷達(dá)掃描采集地面點(diǎn)數(shù)據(jù)是一種集生產(chǎn)效益高、獲取數(shù)據(jù)精度高、全天候作業(yè)、直接獲取測區(qū)DEM和DSM、作業(yè)人員安全保障性高等眾多優(yōu)點(diǎn)的新型測繪作業(yè)模式，不受地形條件的限制，高速獲取地面模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)；雷達(dá)掃描的免像控技術(shù)，通過架設(shè)數(shù)量較少的基站，替代大數(shù)量的外業(yè)像控點(diǎn)施測，從而大大減少外業(yè)工作量，提高工作效率。

2 精化水準(zhǔn)面模型

地球表面、似大地水準(zhǔn)面及參考橢球面是3個(gè)并不平行的曲面。利用GNSS方法測取的高程為大地高，其基準(zhǔn)面是參考橢球面；利用水準(zhǔn)測量方法獲得的高程為正常高，其基準(zhǔn)面為似大地水準(zhǔn)面。建立精化水準(zhǔn)面模型原理：通過獲取測區(qū)分布均勻的離散點(diǎn)獲得離散點(diǎn)似大地水準(zhǔn)面，通過測區(qū)的重地測量，利用大地測量學(xué)方法，求得格網(wǎng)重力似大地水準(zhǔn)面，最后通過球冠諧函數(shù)，將這些離散點(diǎn)似大地水準(zhǔn)面與格網(wǎng)重力似大地水準(zhǔn)面進(jìn)行擬合，可得到似大地水準(zhǔn)面的精化模型。隨著現(xiàn)代測繪技術(shù)的發(fā)展，建立的精化水準(zhǔn)面模型精度越來越高，而厘米級似大地水準(zhǔn)面模型的建立已經(jīng)可以改變部分傳統(tǒng)高程測量作業(yè)模式。精化水準(zhǔn)面模型的應(yīng)用，可以大大減少在水準(zhǔn)測量工作，特別是在通行條件困難地區(qū)，可以大大提高工作效率。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 測區(qū)概況

塔克拉瑪干沙漠是中國最大的沙漠，位于新疆南疆塔里木盆地，俗稱“死?！保S吾爾語“不可跨越”的意思。擬建公路項(xiàng)目區(qū)位于塔克拉瑪干沙漠南部腹地，南起G315線南屯鎮(zhèn)，北至塔克拉瑪干沙漠中心塔中鎮(zhèn)，全長151.7 km，呈直線狀穿越塔克拉瑪干沙漠南部腹地，沿線地表均為裸露沙地，植被稀少，沙漠區(qū)交通條件惡劣，測區(qū)東北方向是塔中鎮(zhèn)至且末縣沙漠公路，西北方向是塔中鎮(zhèn)至民豐縣沙漠公路，南側(cè)是G315東西貫通，西南側(cè)有安迪爾鄉(xiāng)的沙漠公路抵近線路中部區(qū)，測區(qū)地理位置及交通情況如圖1所示。承接項(xiàng)目時(shí)間是2019年12月底，限期50天完成。主要測繪內(nèi)容：一是施測測區(qū)大地控制網(wǎng)，為公路測繪及施工提供空間位置基準(zhǔn)；二是測繪寬1200m的1︰1000比例尺帶狀地形圖，供擬建公路選線使用；三是測量選定線路的縱、橫斷面，為路線設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；項(xiàng)目的難點(diǎn)：一是測區(qū)為移動(dòng)沙漠區(qū)，交通條件極其困難，沙漠專用車都難以逾越，人員更無法穿越；二是承擔(dān)項(xiàng)目時(shí)間正值12月底，測區(qū)最低氣溫達(dá)零下19℃，測繪人員無法野外露宿；若采用常規(guī)的測繪方法，這是一項(xiàng)無法完成的測繪任務(wù)。

3.2 技術(shù)方案設(shè)計(jì)及實(shí)施

技術(shù)路線：由于項(xiàng)目測區(qū)為移動(dòng)沙漠區(qū)，地表均為軟沙地覆蓋，植被稀少，通行條件極差，適用無人機(jī)載雷達(dá)掃描作業(yè)。作業(yè)關(guān)鍵步驟有以下4步：第一，因地制宜布設(shè)、施測大地測量控制網(wǎng)，并求得點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)；第二，利用機(jī)載雷達(dá)掃描采集測區(qū)地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)；第三，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行DGPS和IMU/GPS解算、大地定向等處理；第四，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制1︰1000地形圖，提取公路縱、橫斷面數(shù)據(jù)。

根據(jù)機(jī)載雷達(dá)在掃描作業(yè)時(shí)需要在地面已知點(diǎn)架設(shè)基站，滿足基站至機(jī)載雷達(dá)掃描系統(tǒng)距離不超過50km。根據(jù)測區(qū)周邊的高等級國家水準(zhǔn)點(diǎn)分布位置，在擬建公路線路附近、人員能到達(dá)位置加密線路控制點(diǎn)，形成覆蓋測區(qū)首級控制網(wǎng)，如圖1所示，平均邊長約46km。平面控制測量：采用九臺天寶GNSS接收機(jī)，以靜態(tài)測量方式同步觀測，考慮到基線較長，觀測時(shí)間設(shè)定為大于或等于240min，觀測數(shù)據(jù)與新疆CORS網(wǎng)數(shù)據(jù)并網(wǎng)解算，平差過程加載新疆南疆區(qū)域似大地精化水準(zhǔn)面模型，可以計(jì)算得到控制網(wǎng)的WGS84坐標(biāo)系成果和CGCS2000坐標(biāo)系和85高程基準(zhǔn)的成果，利用這兩套坐標(biāo)成果可以求取得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換參數(shù)。高程控制測量：對加密控制點(diǎn)ST01、ST03、ST04進(jìn)行直接四等水準(zhǔn)測量，得到加密點(diǎn)四等精度高程成果。利用已知點(diǎn)的高程成果，一是可以檢核精化水準(zhǔn)計(jì)算成果的精度情況，二是可以再次優(yōu)化區(qū)域轉(zhuǎn)換參數(shù)精度。

圖1 測區(qū)位置及方案布設(shè)圖

數(shù)據(jù)采集采用大疆CW30無人機(jī)掛載RIEGL激光雷達(dá)系統(tǒng)通過掃描方式獲取， 按式=·/（為相對航高，為地面分辨率，為相機(jī)尺寸）可計(jì)算出相對航高為280m，航線間隔為450m（航帶重疊度按30%計(jì)算）。設(shè)計(jì)航帶數(shù)為4條，設(shè)定激光掃描密度為5點(diǎn)/m~6點(diǎn)/m。為提高采集數(shù)據(jù)的大地定向坐標(biāo)精度，在航攝過程中，在測區(qū)兩端地面架設(shè)ST01、ST04雙基站。由于線路較長且測區(qū)中部區(qū)域人員及車輛無法到達(dá)，起飛點(diǎn)選擇兩處，一是選擇南屯鎮(zhèn)北側(cè)5km的路邊，從南往北飛行，從起飛點(diǎn)向北飛行距離80km進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；二是選在測區(qū)北側(cè)塔中鎮(zhèn)往東南方向30km的沙漠公路邊，從北往南飛行80km進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；南、北兩片飛行區(qū)重疊區(qū)為5km。機(jī)載雷達(dá)激光掃描作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 機(jī)載雷達(dá)激光掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集作業(yè)流程圖

數(shù)據(jù)處理包括以下內(nèi)容：a）MU-GPS數(shù)據(jù)聯(lián)合解算。2臺GPS基準(zhǔn)站間距在30 km~50 km，合理布設(shè)地面基準(zhǔn)站可有效減少大氣誤差、電離層延遲誤差、對流層延遲誤差等，流動(dòng)站安置在飛機(jī)上，將基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的采樣間隔均調(diào)設(shè)成1″，待航攝作業(yè)正常完成后，下載基站數(shù)據(jù)、流動(dòng)站數(shù)據(jù)及MU數(shù)據(jù)，并進(jìn)行聯(lián)合解算，求出每個(gè)掃描點(diǎn)的外方位元素及其航跡線。b）激光數(shù)據(jù)處理。激光數(shù)據(jù)下載后首先對激光數(shù)據(jù)進(jìn)行檢校消除，加入原始點(diǎn)云的條帶數(shù)據(jù)，并加入軌跡文件，將軌跡號與航帶號進(jìn)行匹配，去除重疊部分的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用測區(qū)區(qū)域轉(zhuǎn)換參數(shù)對激光數(shù)據(jù)進(jìn)行平面及高程融合（大地定向）。對不滿足要求的區(qū)域進(jìn)行人工外業(yè)實(shí)測，補(bǔ)測高程信息，或采用同期數(shù)碼影像基于立體像對補(bǔ)測特征點(diǎn)、特征線。c）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的提取。對激光點(diǎn)進(jìn)行分類處理，提取地面點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。成片茂密植被區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，利用激光脈沖穿透性，地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)形成上下兩層，通過設(shè)置參數(shù)來自動(dòng)濾波，除去大部分非地面點(diǎn)數(shù)據(jù)，再對自動(dòng)濾波后數(shù)據(jù)進(jìn)行人工檢查，對個(gè)別區(qū)域進(jìn)行精細(xì)處理，以去除剩余明顯高于地面的植被點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)，經(jīng)過處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為凈地面點(diǎn)點(diǎn)云las數(shù)據(jù)。

該項(xiàng)目測區(qū)沙漠區(qū)，使用清華三維公司的eps軟件自動(dòng)生成等高線、提取地面高程點(diǎn)功能，設(shè)置等高線基本等高距為1.0m、提取高程點(diǎn)密度為20m/點(diǎn)，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成等高線、提取高程點(diǎn)，編輯生成1︰1000地形圖。由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程點(diǎn)密，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成地等高線更加精確，更加逼近真實(shí)地形。

斷面提取分三步：第一，確定擬建線路導(dǎo)線，根據(jù)地形圖判斷沙包的分布位置及地形起伏情況，按照公路選線規(guī)則，選定擬建線路的走向、繪制出線路導(dǎo)線圖；第二，設(shè)定路線導(dǎo)線起點(diǎn)、拐點(diǎn)及終點(diǎn)，設(shè)置好路線拐點(diǎn)的曲線要素值，如拐彎半徑、緩和曲線長值、圓曲線長值等以及路線縱斷面間距，利用軟件在點(diǎn)云數(shù)據(jù)上自動(dòng)完成縱斷面數(shù)據(jù)提??；第三，設(shè)定提取橫斷面樁號與縱斷面樁號一致、橫斷面寬度，橫斷面點(diǎn)間距，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)上自動(dòng)完成提取橫斷面成果。

為驗(yàn)證采用新技術(shù)方法測繪成果的可靠性，項(xiàng)目案例采用傳統(tǒng)的RTK測量方法，實(shí)地外業(yè)采集數(shù)據(jù)對點(diǎn)云數(shù)據(jù)、地形圖、斷面數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核、點(diǎn)位精度分析及誤差分布統(tǒng)計(jì)，可求出本次激光作業(yè)的點(diǎn)位誤差精度和高程中誤差精度。精度統(tǒng)計(jì)情況見表1。

表1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果與RTK測量數(shù)據(jù)精度比較統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)語

本次測繪任務(wù)利用高新測繪技術(shù)組合手段，在極端地形及天氣條件下快速、精準(zhǔn)地完成了測繪任務(wù)，并采用常規(guī)的測繪手段對作業(yè)成果進(jìn)行檢查驗(yàn)證，確保測繪成果的可靠性。項(xiàng)目案例證實(shí)采用無人機(jī)激光雷達(dá)采集地形點(diǎn)的作業(yè)方法完全可以達(dá)到常規(guī)儀器測量的精度，完全可以滿足公路勘測設(shè)計(jì)對地形地物點(diǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的需要。同時(shí)項(xiàng)目工期從原計(jì)劃50天縮減到實(shí)際用時(shí)31天，縮短了工期，降低了成本，獲得了很好的項(xiàng)目效益，同時(shí)降低了測繪外業(yè)人員的工作強(qiáng)度及危險(xiǎn)性。該文旨在總結(jié)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，為荒漠無人區(qū)實(shí)施類似工程測繪項(xiàng)目提供一定的經(jīng)驗(yàn)及參考。