機(jī)載LiDAR系統(tǒng)在土石方測量中的應(yīng)用

王躍武

（浙江納智地理信息科技有限公司，浙江 杭州 311400）

1 引言

在工程領(lǐng)域有多方面涉及土石方量的統(tǒng)計(jì)測量，傳統(tǒng)方法主要有儀器測量法，如利用GPS、全站儀或水準(zhǔn)儀測量地形特征點(diǎn)，耗費(fèi)大量人力物力，且對場地環(huán)境要求較高，當(dāng)遇到惡劣環(huán)境時，測量人員的人身安全得不到保障，同時會延長工期，大大提高工程的成本[1]。近年來，機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)以高效快捷、機(jī)動靈活、成本低廉等優(yōu)勢發(fā)展迅猛，已廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)地理信息采集、地質(zhì)調(diào)查、勘察測繪等領(lǐng)域。本文以某土石方工程為例，利用機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)獲取地面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)專業(yè)處理后生成準(zhǔn)確的數(shù)字高程模型（DEM），再通過Global Mapper 軟件的體積測量功能將開挖前后的DEM 進(jìn)行疊加計(jì)算，得出土石方量，為土石方測量提供一種全新的技術(shù)手段。

2 機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)簡介

LiDAR 是一種新興的主動遙感技術(shù)，工作原理是根據(jù)激光測距原理計(jì)算得到從激光雷達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的距離，脈沖激光不斷掃描目標(biāo)物，就可得到全部目標(biāo)點(diǎn)的帶有地理坐標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再利用專業(yè)軟件將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理得到所需的測繪圖件[2]。按照載體的不同，LiDAR 分為地面、車載、機(jī)載、星載四種模式，機(jī)載LiDAR 相對于其他搭載方式，具有機(jī)動靈活、成本低、數(shù)據(jù)精度高、作業(yè)效率高、環(huán)境因素影響小等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用。機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)是多種先進(jìn)技術(shù)的集合體，運(yùn)行時需要多個系統(tǒng)共同協(xié)作，主要由空中機(jī)載部分和地面基站部分組成。其中，空中機(jī)載部分主要包括搭載平臺、激光掃描儀、POS 系統(tǒng)，地面基站部分主要包括基準(zhǔn)站GNSS 接收機(jī)、計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)分析處理軟件[3]。機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 機(jī)載LiDAR系統(tǒng)作業(yè)方式

隨著無人機(jī)平臺的不斷成熟，用于機(jī)載的LiDAR設(shè)備也朝著小型化和精巧化方向發(fā)展，數(shù)據(jù)獲取能力不斷提高、應(yīng)用方向不斷擴(kuò)大。機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)在測繪領(lǐng)域有著獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)。

2.1 穿透性強(qiáng)、受環(huán)境因素影響小

機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)屬于主動式測量技術(shù)，發(fā)射的激光脈沖能穿透云層、薄霧、植被等障礙物，可在陰天甚至夜間作業(yè)。在森林覆蓋密集或高山峽谷區(qū)域，相比傳統(tǒng)航測技術(shù)，該技術(shù)有著超強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力和數(shù)據(jù)獲取能力。

2.2 高效率

機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)能在短時間內(nèi)獲取大區(qū)域、大范圍的地表空間信息，而且僅需布置少量外業(yè)像控點(diǎn)，內(nèi)業(yè)即可清晰判別大部分地物，大大減少了外業(yè)工作量，生產(chǎn)效率相比傳統(tǒng)航測手段要高很多。

2.3 高精度

機(jī)載LiDAR系統(tǒng)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)由激光直接獲取，密度可達(dá)到每平方米一個甚至十幾個原始數(shù)據(jù)點(diǎn)，由于激光具有較強(qiáng)的穿透能力，能夠獲取到更高精度的地表數(shù)據(jù)，因此無論是平面精度還是高程精度都比依據(jù)有限像控點(diǎn)擬合的傳統(tǒng)航測要高[4]。

3 項(xiàng)目實(shí)例

3.1 項(xiàng)目背景

以某地區(qū)公路改建工程中的土石方測量為例，該公路設(shè)計(jì)為一級公路，是該地區(qū)重要干線公路。根據(jù)公路整體設(shè)計(jì)要求，需對某路段的一塊場地進(jìn)行測量并回填，需回填的場地面積約為20 萬平方米。受復(fù)雜地理地質(zhì)環(huán)境、前期施工等多種因素影響，測區(qū)凹凸不平的土坑較多，回填難度較大，根據(jù)要求，需完成原地面10m×10m 網(wǎng)格測量，作為土石方結(jié)算依據(jù)?？紤]到利用傳統(tǒng)測繪方法施測難度較大，項(xiàng)目組決定利用機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)開展作業(yè)，同時與利用傳統(tǒng)GNSSRTK 法的土石方測量結(jié)果相比較，進(jìn)行精度檢查。

3.2 數(shù)據(jù)獲取

采用華測P580 無人機(jī)平臺搭載AS-300HL 多平臺激光雷達(dá)測量系統(tǒng)，獲取目標(biāo)區(qū)域激光點(diǎn)云及影像數(shù)據(jù)。AS-300HL 多平臺激光雷達(dá)測量系統(tǒng)有效集成激光掃描系統(tǒng)、定位定姿系統(tǒng)（包括全球定位系統(tǒng)GNSS 和慣性導(dǎo)航儀IMU）及控制單元，并進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，重量僅有3.2kg，數(shù)據(jù)采集速度卻高達(dá)10 萬點(diǎn)/秒，最大測距為250m，測量精度為15mm，重復(fù)精度為10mm。

參照測區(qū)地形地貌及建筑物、植被覆蓋等情況，結(jié)合LiDAR 系統(tǒng)的特點(diǎn)，在保證安全飛行的前提下，制定本次任務(wù)的飛行路線規(guī)劃圖和飛行參數(shù)，設(shè)計(jì)相對起飛點(diǎn)航高為120m、飛行速度為7.5m/s、航向間距為60m，共設(shè)計(jì)5 條水平航帶和2 條垂直航帶?？紤]空域及天氣因素，僅飛行一個架次即完成測區(qū)全部數(shù)據(jù)采集任務(wù)，總飛行用時23 分鐘。數(shù)據(jù)采集完成后點(diǎn)云數(shù)據(jù)量為5.16 GB，獲取影像578 張，對數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性檢查，確保采集數(shù)據(jù)完全覆蓋測區(qū)、無大面積遺漏。

3.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要有點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算、DEM 生產(chǎn)、土石方圖制作三個步驟。

3.3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算

數(shù)據(jù)解算方法主要包括三部分：（1）差分GPS 處理；（2）軌跡文件解算；（3）點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸出。使用Inertial Explorer 軟件進(jìn)行差分GPS 處理和軌跡解算，采用設(shè)備自帶的激光解析軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸出。為保證激光點(diǎn)云掃描數(shù)據(jù)精度，掃描的同時安排外業(yè)人員利用GNSS-RTK 實(shí)測一批檢查點(diǎn)。檢查點(diǎn)要分布均勻，要以外圍硬質(zhì)路面標(biāo)記點(diǎn)為主。對于測區(qū)的噪聲點(diǎn)，需通過TerraSolid 軟件逐塊剔除，反復(fù)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，剔除點(diǎn)云數(shù)據(jù)的明顯噪聲，以便開展DEM 生產(chǎn)。

3.3.2 DEM 生產(chǎn)

獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，除了地面點(diǎn)還包括植被、建筑等非地面點(diǎn)數(shù)據(jù)，需經(jīng)過點(diǎn)云分類得到地面點(diǎn)[5]。利用分類好的地面點(diǎn)成果數(shù)據(jù)，結(jié)合帶有高程信息的特征線即可制作高精度DEM 成果。由于通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成得到的等高線曲線折點(diǎn)較多，不夠平滑，需要后期進(jìn)行手工編輯修飾，編輯原則包括平緩地區(qū)等高線走向的正確性、V 字形山脊山谷朝向的正確性等。

3.3.3 土石方量計(jì)算

結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件對測區(qū)正射影像數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，然后利用裁剪后的正射影像與附加輸出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，由于不同點(diǎn)落在不同的對象表面，提取落在地面上的點(diǎn)，過濾掉地面以上的點(diǎn)，將兩者用不同顏色區(qū)分并單獨(dú)顯隱，進(jìn)而得到真正的地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。完成地面點(diǎn)提取后，可得到精準(zhǔn)的地面點(diǎn)高程信息，再通過這些高程值生成準(zhǔn)確的DEM（如圖2所示），最后利用Global Mapper 軟件的體積測量分析功能計(jì)算土石方量，該軟件還可對等高線、高程分布、坡度、坡向、流域面積等空間表達(dá)進(jìn)行分析，具體步驟為：首先在Global Mapper 軟件中加載土石方開挖前的DEM 數(shù)據(jù)，然后再加載土石方開挖后的DEM，點(diǎn)擊“分析”菜單下的“根據(jù)兩個表面測量體積”命令，軟件即自動計(jì)算出研究區(qū)域的土石方量為38546.627m3。

圖2 土石方開挖前DEM影像

3.4 精度驗(yàn)證

3.4.1 三維點(diǎn)云精度檢查

三維點(diǎn)云精度直接影響土石方量的計(jì)算精度，在三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中均勻選取10 個檢查點(diǎn)，將量取的坐標(biāo)值與GNSS-RTK 測量的值進(jìn)行對比，10 個檢查點(diǎn)的平

面和高程誤差統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 檢查點(diǎn)實(shí)測與采集數(shù)據(jù)對比

按照中誤差計(jì)算公式：

公式中，M為中誤差，n為檢查點(diǎn)個數(shù)，Δi為檢查點(diǎn)平面和高程實(shí)測值與量取值的較差。經(jīng)公式計(jì)算得出，研究區(qū)選取的10 個檢查點(diǎn)的平面位置中誤差為0.032m，高程中誤差為0.048m，平面和高程精度均達(dá)到厘米級，滿足土石方測量的精度要求。

3.4.2 GNSS-RTK 法測量土石方量

土石方開挖前后，分別利用傳統(tǒng)的GNSS-RTK 現(xiàn)場采集一定密度的地形特征點(diǎn)，將測量數(shù)據(jù)展繪到CASS軟件中，構(gòu)建三角網(wǎng)計(jì)算土石方量（如圖3 所示）。利用南方CASS9.0軟件對采集的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算得到開挖前后的土石方差值為38731.389m3，與利用機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)計(jì)算的土石方量相差184.762m3，相對誤差僅為0.5%，證明兩種方法測量的結(jié)果均正確。由于機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)獲取的是地表真實(shí)的DEM，軟件通過對比每個點(diǎn)的高程差值進(jìn)行方量計(jì)算，因此，精度要比傳統(tǒng)GNSS-RTK 測量有限點(diǎn)的方法高很多。

圖3 CASS9.0計(jì)算土石方量

3.5 結(jié)果分析

對采用機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)與傳統(tǒng)GNSS-RTK 技術(shù)的土石方測量方法進(jìn)行比較，結(jié)果如表2 所示。在工作效率上，利用機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)的外業(yè)時間為0.5h，傳統(tǒng)GNSS-RTK 技術(shù)的外業(yè)時間為2.5h，后者用時是前者的5 倍。在測量精度上，機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)獲取的是地表真實(shí)的DEM，DEM 模型上每個點(diǎn)位都有準(zhǔn)確坐標(biāo)及高程，能真實(shí)反映地形連續(xù)的起伏變化，每個地形點(diǎn)都會參與土石方計(jì)算，計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確；而傳統(tǒng)GNSS-RTK技術(shù)受測量人員經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)水平影響很大，且只通過有限點(diǎn)來計(jì)算土石方量，測量精度較差?？傮w來看，機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)較傳統(tǒng)測繪方法的優(yōu)勢如下：

表2 兩種方法的外業(yè)時間及計(jì)算結(jié)果比較

（1）工作效率高。機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)的工作效率比傳統(tǒng)測量方法高5 倍，可快速到達(dá)測區(qū)開展作業(yè)，且內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理自動化程度高，在大面積土石方測量中更能體現(xiàn)應(yīng)用優(yōu)勢。

（2）精度高。機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)獲取的是地表真實(shí)的DEM，軟件通過對比每個點(diǎn)的高程差值進(jìn)行方量計(jì)算，精度要比傳統(tǒng)GNSS-RTK 測量有限點(diǎn)的方法高很多。

（3）安全性好。利用機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集時，只需要一塊稍平整的起降場地即可開展作業(yè)，保證了測量人員的安全。

4 結(jié)束語

土石方測量工作比較繁瑣，傳統(tǒng)測量方法受多種因素影響已難以滿足當(dāng)前要求。本文提出的基于機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)的土石方快速測量方法簡單易行、高效快捷，大大提高了測量效率，節(jié)省了人力物力，保障了測量人員的安全。經(jīng)驗(yàn)證，該技術(shù)獲取的成果在精度上完全符合要求，為土石方測量提供了新的技術(shù)手段。