車載LiDAR技術(shù)在高速公路改擴(kuò)建勘測中的應(yīng)用

李 通

(山東省國土測繪院 山東 濟(jì)南 250103)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,我國機(jī)動(dòng)車保有量迅速增加,高速公路的通行壓力也急速上升,很多高速公路已經(jīng)大幅超過了其設(shè)計(jì)通行能力,高速公路改擴(kuò)建也逐漸成為目前公路建設(shè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)[1-3]。高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目對(duì)路面的測量精度要求較為嚴(yán)苛,平面位置中誤差優(yōu)于5 cm,高程中誤差優(yōu)于2 cm。目前,多數(shù)高速公路改擴(kuò)建勘測項(xiàng)目還是采用傳統(tǒng)的全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)(real-time kinematic,RTK)、全站儀、水準(zhǔn)測量等方法進(jìn)行路面測量[4-6],不僅測量效率低下,勘測周期長,難以滿足工期要求,還需要對(duì)既有道路進(jìn)行交通管制,影響道路正常通行,并且存在巨大的安全隱患[7-11]。

目前,車載激光雷達(dá)(light detection and ranging,LiDAR)測量技術(shù)日益成熟,也應(yīng)用到了公安、市政、交通等諸多領(lǐng)域,該技術(shù)不僅能夠獲取線路的全景影像數(shù)據(jù),也能夠同時(shí)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。本文以京藏高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目為例,對(duì)車載LiDAR應(yīng)用于高速路改擴(kuò)建的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹,首先采用車載LiDAR技術(shù)對(duì)既有道路路面進(jìn)行掃描,獲取路面點(diǎn)云數(shù)據(jù),然后采用不同的糾正方案對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度的糾正,最終得到了滿足精度要求的成果,并總結(jié)出了完整的技術(shù)方案,對(duì)以后的同類項(xiàng)目有重要的借鑒意義。

1 設(shè)計(jì)方案

京藏高速公路改擴(kuò)建(銀川段)是國家重點(diǎn)工程項(xiàng)目,我院合同段長度約40 km,根據(jù)項(xiàng)目勘測設(shè)計(jì)大綱要求,路面測量精度平面位置中誤差應(yīng)優(yōu)于5 cm,高程中誤差應(yīng)優(yōu)于2 cm[3]。傳統(tǒng)的測設(shè)方案是先在沿線布設(shè)一定數(shù)量的控制點(diǎn)然后利用水準(zhǔn)測量、全站儀、GPS RTK等手段測定路面數(shù)據(jù),工作量巨大,并且測設(shè)人員需要上路測量,影響道路通行,存在很大的安全隱患?；诖?項(xiàng)目組提出了采用車載LiDAR掃描系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并通過預(yù)先布設(shè)的路面靶標(biāo)控制點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正,測設(shè)技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 測設(shè)技術(shù)路線

1.1 地面靶標(biāo)布設(shè)與測量

常規(guī)條件下,車載LiDAR系統(tǒng)測量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平面和高程精度在10 cm左右,無法滿足高速公路改擴(kuò)建的精度要求[3],所以需要對(duì)原始數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云計(jì)算平差等環(huán)節(jié)進(jìn)行控制和改進(jìn),并布設(shè)一定數(shù)量的地面靶標(biāo)控制點(diǎn)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度糾正。本項(xiàng)目為了檢驗(yàn)不同間距靶標(biāo)控制點(diǎn)的糾正效果,其布設(shè)間距控制在100 m左右,沿道路兩側(cè)應(yīng)急車道布設(shè),布設(shè)尺寸應(yīng)當(dāng)根據(jù)點(diǎn)云的密度進(jìn)行計(jì)算,一般長邊邊長應(yīng)在點(diǎn)云間距的6～10倍,本項(xiàng)目布設(shè)的地面靶標(biāo)控制點(diǎn)如圖2所示。靶標(biāo)控制點(diǎn)的平面位置采用帶簡易三腳架的GPS RTK方法測量,每個(gè)點(diǎn)測量3個(gè)測回,每個(gè)測回測量30 s,測回間互差不超過3 cm,高程采用四等水準(zhǔn)的方法測量,并進(jìn)行嚴(yán)密平差。

(a)形狀圖 (b)顯示效果圖圖2 靶標(biāo)控制點(diǎn)

1.2 車載LiDAR掃描

本項(xiàng)目采用國產(chǎn)的SSW車載移動(dòng)測量系統(tǒng)進(jìn)行線路的掃描測量,獲取的點(diǎn)云間距為5～7 cm,在進(jìn)行掃描的同時(shí)需要在高速公路沿線布設(shè)一定數(shù)量的GPS地面基站與車載定位定姿系統(tǒng)(position and orientation system, POS)系統(tǒng)同步觀測,相鄰基站的布設(shè)間距不超過10 km。另外,在掃描作業(yè)開始前需要與高速公路路政部門做好溝通,協(xié)調(diào)其做好保障工作,掃描過程中車速應(yīng)控制在60 km/h,盡量保持勻速行進(jìn),避免與大型車輛距離太近,以保證GPS信號(hào)及慣導(dǎo)狀態(tài)良好。

1.3 數(shù)據(jù)處理

車載LiDAR掃描數(shù)據(jù)處理包括POS解算與點(diǎn)云解算、點(diǎn)云數(shù)據(jù)高精度糾正等。

1.3.1點(diǎn)云解算

點(diǎn)云解算采用隨機(jī)的軟件進(jìn)行。首先利用IE軟件進(jìn)行POS數(shù)據(jù)解算,輸出姿態(tài)結(jié)果,然后進(jìn)行點(diǎn)云解算,輸出las格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。輸出的線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)

1.3.2點(diǎn)云數(shù)據(jù)高精度糾正

由于獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度在10 cm左右,無法滿足高速公路改擴(kuò)建的精度要求,因此需要利用地面靶標(biāo)控制點(diǎn)成果進(jìn)行平面位置和高程的高精度糾正。

(1)平面位置糾正。點(diǎn)云數(shù)據(jù)平面位置糾正采用分段仿射算法進(jìn)行,包括采集控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)點(diǎn)點(diǎn)云坐標(biāo)、點(diǎn)云平面糾正、精度檢查3個(gè)步驟。其數(shù)學(xué)模型為

式中，(X,Y)T為校正后點(diǎn)云平面坐標(biāo);(x0、y0)T為校正前點(diǎn)云平面坐標(biāo);a、b、c、d、dx、dy為仿射變換參數(shù)。

(2)高程糾正。點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程糾正采用三角網(wǎng)法進(jìn)行,包括采集控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)點(diǎn)點(diǎn)云高程、點(diǎn)云高程糾正、精度檢查3個(gè)步驟,其原理如圖4所示。首先計(jì)算地面靶標(biāo)控制點(diǎn)位置點(diǎn)云數(shù)據(jù)與控制點(diǎn)的高差dz,生成覆蓋點(diǎn)云數(shù)據(jù)的最小外接矩形,再將外接矩形的頂點(diǎn)和控制點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)網(wǎng),建立改正模型。

圖4 算法原理

假定改正模型中三角網(wǎng)的3個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)及(x3,y3,z3),一般地面靶標(biāo)控制點(diǎn)之間的距離比較短,可以近似認(rèn)為每個(gè)三角形范圍內(nèi)高程異常呈線性變化,則可得

由上式可得點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程改正值：

式中,xi,yi(i=1,2,3);dzi(i=1,2,3)為三角形頂點(diǎn)點(diǎn)云高程與控制點(diǎn)高程差值；x、y為點(diǎn)云的坐標(biāo)；dz為點(diǎn)云的高程改正值。

2 結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

為了對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的成果進(jìn)行驗(yàn)證,沿實(shí)驗(yàn)段路面每3 km為一個(gè)測段,每個(gè)測段抽取1 km,布設(shè)檢核點(diǎn)間距為20 m,檢核點(diǎn)位布設(shè)在應(yīng)急車道上,檢核點(diǎn)平面位置采用帶簡易三腳架的RTK進(jìn)行測,每點(diǎn)測量3個(gè)測回,每個(gè)測回測量20 s,測回較差不超過5 cm,高程采用四等水準(zhǔn)的方法測量,將檢核點(diǎn)成果和點(diǎn)云成果導(dǎo)入Terrasolid軟件,分別對(duì)采用不同間距靶標(biāo)控制點(diǎn)糾正的數(shù)據(jù)成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。當(dāng)靶標(biāo)控制點(diǎn)間距為200 m時(shí),糾正后的路面點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果高程中誤差為1.3 cm,平面位置中誤差為3.9 cm,完全能夠滿足高速公路改擴(kuò)建的精度要求。糾正處理后路面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的誤差分布如圖5～6所示。

圖5 點(diǎn)云平面誤差

圖6 點(diǎn)云高程誤差分布

另外,分布采用100、200、300、400、500 m間距的靶標(biāo)控制點(diǎn)間距糾正后的點(diǎn)云成果精度統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 不同間距靶標(biāo)點(diǎn)糾正后點(diǎn)云精度統(tǒng)計(jì)

從以上分析可知,靶標(biāo)控制點(diǎn)間距越大,糾正后路面點(diǎn)云的精度越低,當(dāng)靶標(biāo)控制點(diǎn)間距小于300 m時(shí),糾正后的數(shù)據(jù)能夠滿足精度要求,靶標(biāo)控制點(diǎn)間距超過300 m時(shí),糾正后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度就難以滿足要求了。所以,在保證成果精度的前提下,綜合考慮可靠性和成本,地面靶標(biāo)控制點(diǎn)布設(shè)間距建議采用200 m,個(gè)別布點(diǎn)困難的路段可適當(dāng)放大距離,但不能超過300 m。

3 結(jié)束語

本文對(duì)基于車載LiDAR掃描技術(shù)的高速公路改擴(kuò)建勘測的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,并結(jié)合具體工程項(xiàng)目論證了該技術(shù)應(yīng)用于高速公路改擴(kuò)建勘測的可行性,實(shí)現(xiàn)了高速公路既有路面數(shù)據(jù)的高精度、高效率獲取,并得出了如下結(jié)論：

(1)與傳統(tǒng)高速公路改擴(kuò)建勘測方法相比,車載LiDAR掃描測量技術(shù)優(yōu)勢非常明顯,不僅能夠在不影響道路通行的前提下,快速獲取既有路面數(shù)據(jù),又保證了勘測人員的作業(yè)安全,必將成為未來同類項(xiàng)目的首選勘測手段。

(2)本文對(duì)不同間距靶標(biāo)控制點(diǎn)的糾正方案進(jìn)行了對(duì)比,得出了比較合理的地面靶標(biāo)控制點(diǎn)布設(shè)方案,即靶標(biāo)控制點(diǎn)間距宜控制在200 m左右,這樣既能夠滿足精度要求,又能節(jié)約成本。

隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展和多學(xué)科融合的不斷深入,LiDAR技術(shù)必將成為以后主流的勘測技術(shù)手段[11],并且其應(yīng)用領(lǐng)域也會(huì)不斷擴(kuò)大,對(duì)推動(dòng)測繪技術(shù)和勘測技術(shù)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。