激光雷達(dá)技術(shù)在高速公路改擴(kuò)建勘察測(cè)量中的應(yīng)用

吳軍

（四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 918100）

0 引言

2021年，四川省高速公路通車?yán)锍掏黄? 600 km，然而隨著私家車數(shù)量的增長(zhǎng)，四川省部分地區(qū)早期建設(shè)的高速公路已無(wú)法滿足人們舒適出行的要求，這就要求加快對(duì)高速公路的改造和擴(kuò)建。本研究選取的研究對(duì)象遂寧至重慶高速公路擴(kuò)容是《四川省高速公路網(wǎng)規(guī)劃（2019—2035年）》中新增的八條擴(kuò)容路段中的一條，是成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈4 條高速通道成遂渝通道的組成部分。

改擴(kuò)建的首要問題是獲取原有道路的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于遂渝高速于2007年建成通車，距今已有十幾年的時(shí)間，因長(zhǎng)期維護(hù)，特別是瀝青路面的多側(cè)鋪設(shè)，導(dǎo)致原有的竣工資料已無(wú)法滿足改擴(kuò)建高精度基礎(chǔ)資料的要求。僅依靠傳統(tǒng)測(cè)量的作業(yè)方式，即使用RTK 或全站儀采集數(shù)據(jù)，首先是作業(yè)效率較低、工作量較大、工期較長(zhǎng)，人員在交通量非常大的高速公路上作業(yè)也存在很大的風(fēng)險(xiǎn)；其次是測(cè)量斷面的數(shù)量問題，斷面數(shù)過少無(wú)法反映原有公路路面、邊坡等地形的實(shí)際情況，斷面數(shù)過多會(huì)導(dǎo)致工作量增加，從而導(dǎo)致工期延長(zhǎng)。因此，針對(duì)高速公路改擴(kuò)建工程對(duì)獲取高精度三維地表數(shù)據(jù)的需求，采用先進(jìn)的激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行勘測(cè)，可快速、高效地獲取原有高速公路路面、道路兩側(cè)邊坡及構(gòu)造物的三維數(shù)據(jù)情況，為設(shè)計(jì)人員提供可靠的高精度基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 激光雷達(dá)

近年來(lái)，激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展迅速，并逐漸走向成熟，可在載人飛機(jī)、無(wú)人機(jī)、汽車等載體上搭載激光雷達(dá)裝置，其集全球定位系統(tǒng)（GPS）、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）、激光掃描儀和光學(xué)攝影等先進(jìn)技術(shù)于一體［1］。本研究采用機(jī)載激光雷達(dá)來(lái)獲取高速公路沿線影像和點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用車載激光雷達(dá)來(lái)獲取高速路面、高速路邊坡及兩側(cè)構(gòu)造物等點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過將二者融合，使獲得的數(shù)據(jù)密度更高、精度更優(yōu)，能更精準(zhǔn)地反映出原有高速路的地表情況。

激光雷達(dá)是激光技術(shù)與現(xiàn)代光電探測(cè)技術(shù)融合的先進(jìn)探測(cè)方式，其由信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)、信號(hào)接收系統(tǒng)、信息處理等部分組成。激光器產(chǎn)生并發(fā)射一束光脈沖，該光脈沖打到物體后會(huì)反射回來(lái)，最終被接收器接收；接收器能準(zhǔn)確地測(cè)量出光脈沖從發(fā)射到被反射回的時(shí)間，由于光速已知，對(duì)距離的測(cè)量即可轉(zhuǎn)換為對(duì)傳播時(shí)間的測(cè)量。結(jié)合激光器的高度、激光掃描角度，再通過GPS獲得激光器位置、通過INS 獲取激光的發(fā)射方向，就可準(zhǔn)確地計(jì)算出每一個(gè)地面光斑的橫縱豎（X、Y、Z）坐標(biāo)值［2］。通過激光雷達(dá)附帶的高清晰照相機(jī)可同時(shí)獲取高精度影像數(shù)據(jù)。

2 激光測(cè)距設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

四川省交通設(shè)計(jì)院承接了遂渝高速擴(kuò)容項(xiàng)目，該項(xiàng)目起于成南高速桂花互通，與成南高速、遂回高速形成十字樞紐互通，路線沿原遂渝高速進(jìn)行擴(kuò)容，經(jīng)遂寧市船山區(qū)、經(jīng)開區(qū)、高新區(qū)、安居區(qū)，止于川渝省界的書房壩處，與遂渝高速擴(kuò)容重慶段相接，全長(zhǎng)約為46.5 km。全線沿道路中心線兩側(cè)交叉布設(shè)74 個(gè)四等控制點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行像控點(diǎn)測(cè)量、路面靶標(biāo)測(cè)量、航空攝影測(cè)量、三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云精度檢查等工作，最后結(jié)合機(jī)載與車載點(diǎn)云數(shù)據(jù)形成最終成果?？傮w技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 總體技術(shù)路線

機(jī)載激光雷達(dá)采用羅賓遜R44直升機(jī)作為飛行平臺(tái)和瑞格公司生產(chǎn)的HS-1600低空激光掃描測(cè)圖系統(tǒng)，沿測(cè)區(qū)線路選取3 個(gè)控制點(diǎn)用于獲取航飛數(shù)據(jù)同步靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)。飛行相對(duì)高度為400 m、航高浮動(dòng)允許范圍為100、航間距為250 m、飛行速度為120 km/h、照片拍攝時(shí)間間隔為100 ms。為了保證激光點(diǎn)云密度，掃描頻率設(shè)定為100 kHz、航向重疊度為69%～77%、旁向重疊度為41%～57%。像控點(diǎn)均勻分布于測(cè)區(qū)，因測(cè)區(qū)為帶狀，每2 km 布設(shè)一對(duì)像控點(diǎn)。

車載激光雷達(dá)以三菱越野車搭載瑞格公司生產(chǎn)的HS-1 600 低空激光掃描測(cè)圖系統(tǒng)。成果要求點(diǎn)云密度≥100 點(diǎn)/m2，高程中誤差優(yōu)于2 cm，路面點(diǎn)邊緣與道路寬度基本擬合。考慮到作業(yè)的安全性，將靶標(biāo)點(diǎn)布設(shè)在應(yīng)急車道或路肩位置上，靶標(biāo)高程糾正點(diǎn)約間隔150 m 布設(shè)一個(gè)，平面糾正點(diǎn)約間隔300 m布設(shè)一個(gè)，高速路雙向間隔約為150 m交叉布設(shè)。由于高速路的匝道視線不好，容易發(fā)生交通事故，故將靶標(biāo)布設(shè)于互通匝道的起終位置。靶標(biāo)布設(shè)主要采用十字形方式，由人工涂刷白色油漆，寬度約為10 cm，測(cè)量十字形的中心點(diǎn)位置。在外業(yè)測(cè)量時(shí)，要對(duì)靶標(biāo)糾正點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，且標(biāo)記于現(xiàn)場(chǎng)，并存取奧維位置。靶標(biāo)糾正點(diǎn)的平面坐標(biāo)測(cè)量采用架設(shè)基準(zhǔn)站，用對(duì)中桿架設(shè)RTK 進(jìn)行測(cè)量，采集時(shí)間為60 s，高程采用徠卡電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行四等水準(zhǔn)測(cè)量。全路段共布設(shè)平面靶標(biāo)點(diǎn)383 個(gè)，施測(cè)靶標(biāo)水準(zhǔn)高程點(diǎn)706 個(gè)。靶標(biāo)水準(zhǔn)按照15 km 左右的高速主線段落附合至項(xiàng)目水準(zhǔn)控制網(wǎng)，精度統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 靶標(biāo)水準(zhǔn)測(cè)量精度統(tǒng)計(jì)表

點(diǎn)云檢查點(diǎn)、線時(shí)，使用RTK 來(lái)采集高速公路應(yīng)急車道白線外邊緣。考慮到高速路中央隔離帶產(chǎn)生的影響，還有匝道車輛上下等問題，為了能夠獲取最優(yōu)的數(shù)據(jù)成果，分別在高速路雙向車道進(jìn)行兩次測(cè)量（見圖2、圖3）。為了使車載雷達(dá)的掃描區(qū)域能夠覆蓋更廣的范圍，提高數(shù)據(jù)覆蓋的完整性，部分地方的快慢車道都進(jìn)行測(cè)量。

圖2 RTK靶標(biāo)點(diǎn)測(cè)量

圖3 檢查線采集位置

在對(duì)外業(yè)數(shù)據(jù)采集完畢后，首先通過像控點(diǎn)和靶標(biāo)點(diǎn)分別對(duì)預(yù)處理后的機(jī)載雷達(dá)和車載雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行整體平差與精度優(yōu)化，可在MicroStation平臺(tái)上面開發(fā)的TerraSolid軟件中的TerraScan模塊對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)化分類。在進(jìn)行分類處理前，用工作區(qū)及分類宏對(duì)整個(gè)工程項(xiàng)目的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，剔除部分空中、地面粗差的點(diǎn)。然后利用軟件法將地面和非地面的點(diǎn)云進(jìn)行分類，再手動(dòng)分出鐵搭和光纜線，最后進(jìn)行人工檢查，利用TerraModeler 和TerraScan 模塊查看點(diǎn)云分類情況，對(duì)分類錯(cuò)誤的點(diǎn)云進(jìn)行改正。將分類處理后的點(diǎn)云導(dǎo)入外業(yè)測(cè)量的點(diǎn)云檢查點(diǎn)，檢查成果質(zhì)量（見圖4），對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題找出根源并解決。

圖4 實(shí)測(cè)檢查線與點(diǎn)云套合檢查圖

3 結(jié)果分析

在該項(xiàng)目實(shí)施過程中，依據(jù)項(xiàng)目檢查內(nèi)容對(duì)關(guān)鍵工序質(zhì)量進(jìn)行檢查，主要有以下4方面。

3.1 飛行質(zhì)量控制檢查

航向重疊度為69%～77%，旁向重疊度為45%～57%，影像質(zhì)量良好，紋理清晰，色彩均勻，無(wú)云霧遮擋、曝光過度等現(xiàn)象。

3.2 POS解算結(jié)果質(zhì)量檢查

POS 解算使用雙基站聯(lián)合平差解算，解算精度誤差滿足規(guī)范要求。

3.3 點(diǎn)云質(zhì)量檢查

點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式為.las，采集到的數(shù)據(jù)分為高程檢查點(diǎn)、平面檢查點(diǎn)，用這兩類點(diǎn)分別對(duì)項(xiàng)目的高程、平面精度進(jìn)行評(píng)估。高程檢查點(diǎn)外業(yè)共采集218 個(gè)點(diǎn)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)得到的激光點(diǎn)云高程精度評(píng)定結(jié)果如下：平均高差為0.073 m、最小高差為0.001 m、最大高差為-0.290 m、中誤差為0.089 3 m，點(diǎn)云高程中誤差滿足規(guī)范中誤差小于0.35 m 的要求；平面實(shí)地檢測(cè)時(shí)，選擇不同地形、不同高程的點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測(cè)，從而分析地形狀態(tài)對(duì)成果精度的影響。檢測(cè)對(duì)象包括圍墻轉(zhuǎn)角、四角方形建筑、硬質(zhì)地面明顯轉(zhuǎn)角處等容易在影像上分辨的地物，此測(cè)區(qū)共計(jì)616個(gè)外業(yè)實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)。根據(jù)檢查結(jié)果得到的點(diǎn)云平面精度指標(biāo)：平均平面差為0.094 m、最小平面差為0.005 m、最大平面差為0.174 m、中誤差為0.104 m，點(diǎn)云平面中誤差滿足規(guī)范中小于12 cm的要求。使用點(diǎn)云處理模塊TerraScan 自動(dòng)檢測(cè)，得到全線點(diǎn)云密度平均值為590 點(diǎn)/m2。高速路面高程點(diǎn)檢查使用點(diǎn)云處理模塊TerraScan 自動(dòng)檢測(cè)383 個(gè)高程點(diǎn)數(shù)據(jù)生成的激光點(diǎn)云精度報(bào)告。高程偏差最大值為0.034 m、高程偏差最小值為0.000 m、高程中誤差為0.012 m，高程精度誤差滿足低于2 cm 的設(shè)計(jì)要求。高速路面點(diǎn)云成果的平面精度檢查，采用特征檢查線對(duì)比距離檢查。檢查線采集675 處均勻分布于全線，對(duì)每條檢查線采集三點(diǎn)連線，采集線長(zhǎng)4～5 m，與最終點(diǎn)云成果擬合車道線同一位置進(jìn)行距離對(duì)比，距離值取檢查線與車道線之間的最大值。最大距離差為0.051 m，最小距離差為0.000 m，距離中誤差為0.018 m。

3.4 DOM質(zhì)量檢查

DOM 地面分辨率為0.037～0.050 m。DOM 影像色彩均勻、紋理清晰，滿足矢量化要求。DOM 投影方式及坐標(biāo)系統(tǒng)采用與項(xiàng)目工程坐標(biāo)系一致的工程獨(dú)立坐標(biāo)系，即橢球CGCS2000，中央子午線為105°30'，投影高為300 m。DOM 平面精度檢查采用實(shí)測(cè)地物與影像上的地物進(jìn)行對(duì)比。實(shí)地檢測(cè)時(shí)，選擇不同地形、不同高程的點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測(cè)，以分析地形狀態(tài)對(duì)成果精度的影響。檢測(cè)對(duì)象包括圍墻轉(zhuǎn)角、四角方形建筑、硬質(zhì)地面明顯轉(zhuǎn)角處等容易在影像上分辨的地物，此測(cè)區(qū)共計(jì)616 個(gè)外業(yè)實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)。平均平面差為0.105 m、最小平面差為0.008 m、最大平面差為0.213 m、中誤差為0.115 m，影像平面中誤差滿足小于12 cm的要求。

在車載激光雷達(dá)測(cè)量的靶標(biāo)布設(shè)中，共布設(shè)三類靶標(biāo)，分別為“X”型、“O”型及“”型。其中，“X”型作為主要靶標(biāo)點(diǎn)，均勻地分布在高速路應(yīng)急車道上；“O”型及“”型作為試驗(yàn)靶標(biāo)點(diǎn)，主要分布在收費(fèi)站外側(cè)道路上。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，“O”型靶標(biāo)在內(nèi)業(yè)作業(yè)中較難捕捉其圓心，“”型靶標(biāo)在內(nèi)業(yè)中能較好地捕捉其扇形交叉點(diǎn)，但在外業(yè)涂刷靶標(biāo)時(shí)比較費(fèi)時(shí)，且圖形有時(shí)涂刷不準(zhǔn)確。最終，仍使用“X”型靶標(biāo)，在外業(yè)涂刷時(shí)較為方便，且內(nèi)業(yè)捕捉交叉點(diǎn)也較準(zhǔn)確。

4 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)既有遂渝高速公路改擴(kuò)建中，對(duì)既有路面的高程精度要求較高，因此采用車載激光雷達(dá)方法進(jìn)行測(cè)量。但車載點(diǎn)云與航測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在交叉部分，且兩種點(diǎn)云數(shù)據(jù)量非常大，融合非常困難。內(nèi)業(yè)組通過安排多名參與過成南高速擴(kuò)容項(xiàng)目的優(yōu)秀技術(shù)人員，參考成南高速擴(kuò)容的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上改進(jìn)作業(yè)方法，通過多次檢查、修改點(diǎn)云融合部分的成果數(shù)據(jù)，最終使車載點(diǎn)云數(shù)據(jù)與航測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)較好的融合，給設(shè)計(jì)人員提供精度可靠的成果數(shù)據(jù)。激光雷達(dá)點(diǎn)云巨大的數(shù)據(jù)量為三維數(shù)據(jù)成果的精度提供保障，但仍須對(duì)點(diǎn)云平差、分類進(jìn)行更加深入的研究，使點(diǎn)云分類更快速、高效。