機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)及其在桂欽高速中的應(yīng)用研究

王鴻飛，譚若愚

（中鐵七局集團(tuán)有限公司勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，鄭州 450016）

0 引言

機(jī)載激光雷達(dá)是集激光掃描儀、GPS 和IMU于一體的空間位置信息采集技術(shù)，以無(wú)人機(jī)作為搭載平臺(tái)，能夠快速、準(zhǔn)確地獲取高精度的地面地形數(shù)據(jù)［1］.相較于傳統(tǒng)測(cè)量方法，具有作業(yè)成本低、效率高、精度高等優(yōu)點(diǎn)，且作業(yè)時(shí)受外界環(huán)境影響較小［2］，這項(xiàng)技術(shù)的突破被認(rèn)為是測(cè)繪領(lǐng)域繼全球定位系統(tǒng)之后的又一重大技術(shù)革命［3］.

1 航飛方案

桂林—?dú)J州港公路（永福三皇至柳州段）項(xiàng)目地處廣西壯族自治區(qū)中北部，線路全長(zhǎng)79 km，測(cè)區(qū)沿線地形以山地、丘陵為主，地形起伏較大，植被茂盛.項(xiàng)目要求制作線路面積約55.5 km2的1∶1 000 比例尺數(shù)字高程模型，傳統(tǒng)測(cè)量手段難以滿足項(xiàng)目工期和測(cè)量精度要求［4］，最終采用了無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量方案.本項(xiàng)目作業(yè)測(cè)區(qū)約為55.5 km2，設(shè)備為SZT-R1350 無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)，飛行共計(jì)79架次.

圖1 測(cè)區(qū)范圍線

1.1 航線規(guī)劃參數(shù)設(shè)置

根據(jù)項(xiàng)目提供的KML 區(qū)域、DEM 高程進(jìn)行初步規(guī)劃，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘了解的地表情況，對(duì)飛行高度、飛行速度等作進(jìn)一步調(diào)整，以保證數(shù)據(jù)采集作業(yè)的安全性與有效性.

航飛參數(shù)設(shè)定飛行高度為400 m；飛行速度為9 m/s；有效掃描角度為90°；航線帶寬為400 m；線掃速度為30m/s.由以上確定好的參數(shù)可以計(jì)算得到單條航線點(diǎn)云密度平均為6.9 點(diǎn)/m2，航線重疊之后滿足項(xiàng)目要求的4 點(diǎn)/m2.

1.2 設(shè)備檢校

檢校平行與垂直交叉航線各飛3 條，往返航線重疊區(qū)為80%，交叉航線垂直角度為85°～95°，檢校區(qū)域地面有建筑物、平坦路面、路燈、電線桿等特征地物，通過(guò)往返航線與交叉航線可分別檢校出俯仰角、翻滾角誤差以及航向角誤差.

1.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

基站架設(shè)，基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)精度會(huì)影響機(jī)載傳感器的整體偏差，進(jìn)而影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)的解算精度［5］.在測(cè)區(qū)中部區(qū)域選擇一處空曠且不受干擾的位置架設(shè)基準(zhǔn)站，設(shè)靜態(tài)模式、采樣間隔0.5 s、衛(wèi)星高度角15°.

以IMU 坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，測(cè)量激光、相機(jī)、GPS天線到IMU 中心的偏心矢量.使用高精度全站儀精確測(cè)得設(shè)備各個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)，計(jì)算出IMU 三個(gè)軸面的空間法向量，進(jìn)而計(jì)算出激光、相機(jī)、GPS天線在IMU 三個(gè)軸上投影分量，即到IMU 中心的偏心矢量.

對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行實(shí)地勘察，選擇一處平坦開(kāi)闊區(qū)域，使用CLMS01 軟件連接設(shè)備，在慣導(dǎo)初始化完成后，按規(guī)劃的航線飛行采集數(shù)據(jù).采集作業(yè)結(jié)束后，檢查數(shù)據(jù)是否存在缺失、偏離航線、不滿足精度等問(wèn)題，以確定是否補(bǔ)飛或重飛.

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及精度分析

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合

Inertial Explorer 軟件是NovAtel 公司W(wǎng)aypoint研發(fā)的一款事后處理軟件，可用于處理所有可用的GNSS、INS 數(shù)據(jù)，提供高精度組合導(dǎo)航信息，包括位置、速度和姿態(tài)信息［6］.針對(duì)精度和穩(wěn)定性要求比較高，不需要實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位信息的應(yīng)用，可以通過(guò)GNSS 和INS 原始數(shù)據(jù)后處理的方式，提高組合導(dǎo)航解算精度和穩(wěn)定性.

圖2 POS軌跡圖

圖3 緊耦合處理圖

使用Inertial Explorer 軟件對(duì)流動(dòng)站數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)、基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進(jìn)行GNSS 差分、TC 緊耦合處理后解算出具有位置信息的軌跡數(shù)據(jù)，輸入前期量取的偏心矢量.完成軌跡解算后，通過(guò)查看軌跡的衛(wèi)星數(shù)量和PDOP 值來(lái)確定該條軌跡的解算質(zhì)量，參與解算的衛(wèi)星數(shù)≥8 顆，PDOP 值≤3，認(rèn)為該軌跡可以進(jìn)行后續(xù)的點(diǎn)云融合.

將解算好的軌跡數(shù)據(jù)和掃描儀數(shù)據(jù)導(dǎo)入PointProcess 軟件，設(shè)置檢校參數(shù)，根據(jù)激光點(diǎn)反射率及距離進(jìn)行粗濾波過(guò)濾噪點(diǎn)，得到高精度位置信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù).

2.2 點(diǎn)云分類

在TerraScan 軟件中建立項(xiàng)目工程，對(duì)原始激光點(diǎn)云進(jìn)行分塊，為方便數(shù)據(jù)組織管理，分塊采用1 km×1 km 的矩形分塊，分塊左下角坐標(biāo)是1 000 的整數(shù)倍.設(shè)置航跡文件存放目錄，以便進(jìn)行航帶匹配和重疊區(qū)裁剪，并檢查點(diǎn)云覆蓋確認(rèn)是否存在飛行漏洞，以及點(diǎn)云航帶匹配是否良好.編寫(xiě)批處理項(xiàng)目分塊的宏命令，主要內(nèi)容包括：分配航帶號(hào)、裁除重疊區(qū)、分離多路徑效應(yīng)產(chǎn)生的低點(diǎn)、分類地面點(diǎn).分類宏的各個(gè)參數(shù)需要多次試驗(yàn)，找到最優(yōu)宏參數(shù).運(yùn)行宏，設(shè)置分區(qū)塊外擴(kuò)30 m，減少分類時(shí)分區(qū)塊邊緣造成的錯(cuò)分、漏分.

圖4 點(diǎn)云分塊

利用自動(dòng)分類好的分塊數(shù)據(jù)和快速正射影像，在TerraScan 軟件中結(jié)合快速正射影像和TerraModeler 對(duì)激光點(diǎn)云進(jìn)行人工精細(xì)分類處理［7］.結(jié)合模型異常消除錯(cuò)分類為Ground 的low points 和low vegetation，以及因地形復(fù)雜，出現(xiàn)地面點(diǎn)分類不精確的情況.結(jié)合影像判斷激光點(diǎn)的類別，消除錯(cuò)分類為Ground 的buildings，輔助陡坎、懸崖上不易識(shí)別類型的點(diǎn)進(jìn)行正確分類.

圖5 點(diǎn)云覆蓋情況

檢查陡坎分類時(shí)，斷面方向取平行于陡坎的方向，斷面寬度取0.1～3 m；通過(guò)數(shù)字表面模型檢查漏分的山頭，使用畫(huà)斷面的半自動(dòng)分類方法，將山頭的點(diǎn)重新分類到地面點(diǎn)；針對(duì)低矮灌木錯(cuò)分導(dǎo)致在模型上形成的高亮毛刺，直接在數(shù)字表面模型上確定錯(cuò)誤點(diǎn)，將錯(cuò)點(diǎn)從地面點(diǎn)中分離出去，毛刺的高程誤差均控制在0.2 m 以內(nèi)；根據(jù)斷面上房屋與周圍地面的高差，使用刷子工具將房屋點(diǎn)從地面點(diǎn)直接剔除；在橋梁連接地面處，通過(guò)斷面判斷橋梁和地面的分離位置，將錯(cuò)誤的橋面點(diǎn)從地面點(diǎn)中分離出去；平行于陡坎方向畫(huà)斷面，確定陡坎的位置，使用刷子等工具將陡坎點(diǎn)補(bǔ)歸到地面點(diǎn)類，地面0.3 m 以上的田埂、陡坎等地形特征都在Ground中表示出來(lái).

2.3 精度分析

利用GPS-RTK 的測(cè)量方法獲取的70 個(gè)檢查控制點(diǎn)分別對(duì)植被茂密區(qū)域和一般區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢驗(yàn).如表1、表2 所示.

表1 植被茂密區(qū)域檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表

表2 一般區(qū)域檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表

由表1、表2 數(shù)據(jù)分析可知，植被茂密區(qū)域檢查點(diǎn)的最大高程偏差ΔZ 為0.103 m，一般區(qū)域檢查點(diǎn)的最大高程偏差ΔZ為0.084 m.根據(jù)《機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范》（CH/T 8024-2011）要求，1∶1 000比例尺點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程中平地、丘陵、山地誤差分別為：0.15 m、0.35 m、0.5 m，該項(xiàng)目點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高程精度穩(wěn)定可靠，滿足項(xiàng)目精度要求.

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)的航線規(guī)劃參數(shù)設(shè)置、設(shè)備檢校、點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集進(jìn)行了詳盡的敘述，主要對(duì)其點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理過(guò)程中點(diǎn)云融合方法和點(diǎn)云分類方法進(jìn)行了較為細(xì)致的研究和探討，最后得到了以下幾條結(jié)論：

（1）通過(guò)精度分析驗(yàn)證了無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)能夠滿足大比例尺數(shù)字高程模型的測(cè)量精度要求，相較于傳統(tǒng)測(cè)量手段，該方法極大地提高了工作效率和自動(dòng)化程度，為項(xiàng)目后續(xù)工作開(kāi)展提供了有力的保障，對(duì)今后類似的測(cè)量項(xiàng)目具有指導(dǎo)意義.

（2）采集地面點(diǎn)信息時(shí)，由于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，采用點(diǎn)云自動(dòng)分類時(shí)容易在地面特征點(diǎn)選取時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，因此需要結(jié)合快速正射影像和TerraModeler 對(duì)激光點(diǎn)云進(jìn)行人工精細(xì)分類處理.

（3）盡管機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)在范圍較大、環(huán)境較為惡劣的測(cè)量項(xiàng)目中具有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)勢(shì)，但針對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)部分茂密叢林與河流區(qū)域，機(jī)載激光雷達(dá)難以獲得高精度的地面點(diǎn)信息，需要傳統(tǒng)的測(cè)量手段輔助，以補(bǔ)足缺失的地面數(shù)據(jù).