激光雷達測繪技術(shù)在工程測繪中的應(yīng)用

張金福

（中建材礦業(yè)投資江蘇有限公司，南京 210000）

1 引言

當前，激光雷達測繪技術(shù)飛速發(fā)展，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對激光雷達測量技術(shù)進行了深入研究。20 世紀80 年代，國外已將該技術(shù)與實際測量設(shè)備有效結(jié)合，實現(xiàn)了對地表、大氣及海洋環(huán)境相關(guān)參數(shù)的測量。我國對激光雷達測繪技術(shù)的研究起步較晚，在現(xiàn)有測量技術(shù)基礎(chǔ)方面較薄弱，盡管已經(jīng)有部分工程應(yīng)用了該測繪技術(shù)，但在測繪精準度方面與國外仍存在一定差距。

2 激光雷達技術(shù)概述

激光雷達測繪技術(shù)主要依據(jù)激光雷達系統(tǒng)發(fā)揮作用，該系統(tǒng)主要由激光測距掃描系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、動態(tài)GPS 接收系統(tǒng)、數(shù)碼相機、同步控制裝置以及遙感平臺構(gòu)成。作業(yè)過程中，系統(tǒng)測繪存在距離偏差與角度偏差，應(yīng)用激光雷達測繪技術(shù)需對可能存在的偏差情況進行檢校[2]。

獲取基于工程現(xiàn)場的測繪數(shù)據(jù)后，可直接發(fā)揮激光雷達系統(tǒng)的作用對相關(guān)測繪數(shù)據(jù)進行處理。測繪工作得到的原始數(shù)據(jù)成果通常包括每次脈沖測距值、瞬時掃描角、GPS 觀測值、地面站GPS 觀測值、慣導(dǎo)IMU 姿態(tài)值及同步航空影響等。由激光雷達系統(tǒng)對以上數(shù)據(jù)進行處理，應(yīng)首先對GPS 觀測值及地面站GPS 觀測值以同步差分的方式進行處理，計算每個激光回波腳點的三維坐標，在得到原始激光點云成果后，需充分考慮技術(shù)應(yīng)用誤差，對誤差進行檢校和平差處理。

通過濾波分類處理方式去除原始航空影像的噪點，將影像中的地面點與非地面點分離[3]。在完成分類處理后，可得到應(yīng)用激光雷達獲得的直接測繪數(shù)據(jù)成果。在此基礎(chǔ)上，通過點云進行柵格化內(nèi)插，對航空影像進行定向處理，與人工提取地物相結(jié)合，獲得理想的數(shù)字線劃地圖（Digital Line Graphic，DLG）成果（見圖2）。

圖2 激光雷達數(shù)據(jù)處理流程

3 激光雷達測繪技術(shù)應(yīng)用

3.1 項目概況

為實現(xiàn)對激光雷達測繪技術(shù)實際應(yīng)用情況的分析，在充分考慮地形地勢環(huán)境對工程現(xiàn)場影響的情況下，選擇西南地區(qū)大渡河項目作為測繪技術(shù)應(yīng)用研究的主要對象。該地區(qū)的工程項目的測繪結(jié)果常由于高山地形的影響而準確性不夠。

大渡河項目為西部水利樞紐工程，項目所在區(qū)域呈山高坡陡、河谷狹窄、植被茂密等典型水電測繪項目特征。在西部地區(qū)，激光雷達設(shè)備分型的一般相對航高為2 500 m，甚至可達3 500 m。例如，當測區(qū)河床海拔為1 650 m 時，測區(qū)側(cè)向2 km 的高山最高點距離約4 300 m。按照民航飛行相關(guān)規(guī)定，如果保證500 m 的安全飛行高度，實際飛行高度需達4 800 m以上，相對航高達3 150 m。這對激光雷達測繪技術(shù)應(yīng)用提出了更高的要求。在坡度較大情況下，激光測繪數(shù)據(jù)的精度會受西部地區(qū)地形及氣象條件的影響。復(fù)雜氣候變化及常年較低氣壓均會對最終測繪數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響[1]。

3.2 工程設(shè)計與建設(shè)可視化

將激光雷達測繪技術(shù)應(yīng)用于大渡河項目中，可滿足工程設(shè)計與建設(shè)可視化要求。

1）將激光雷達測繪技術(shù)與電子信息系統(tǒng)和軟件相結(jié)合，構(gòu)建三維可視化平臺，并將工程現(xiàn)場施工情況及進度展現(xiàn)在三維場景中，可為合理安排施工順序提供科學(xué)依據(jù)。

2）應(yīng)用激光雷達測繪技術(shù)還能實現(xiàn)對地下工程的管理。大渡河項目為典型的水電站地下系統(tǒng)，可利用激光雷達測繪技術(shù)對泄洪洞、引水系統(tǒng)、地下廠房及導(dǎo)流洞等建設(shè)信息進行瀏覽和匯總，呈現(xiàn)更真實準確的工程地下部分的三維效果圖，以及營地、料場、渣場等部分的細節(jié)信息。

具體而言，應(yīng)用激光雷達測繪技術(shù)能夠依據(jù)激光點云數(shù)據(jù)提升數(shù)據(jù)的密度和精度，由點云實現(xiàn)對地面植物以及建筑物、地形環(huán)境的統(tǒng)一分類，再以構(gòu)建三角網(wǎng)的方式得到數(shù)字高程模型，再由數(shù)字攝影測量系統(tǒng)獲得的檢測數(shù)據(jù)，應(yīng)用激光雷達技術(shù)對檢測數(shù)據(jù)進行處理，從而獲得更精確的數(shù)據(jù)信息以及三維坐標，能夠提升影像的清晰度和精確度，以及測繪技術(shù)的應(yīng)用效果。

在工程設(shè)計階段，也可以應(yīng)用激光雷達測繪技術(shù)構(gòu)建數(shù)字信息模型，借助激光雷達設(shè)備，在計算機系統(tǒng)中構(gòu)建電子沙盤，在實現(xiàn)工程現(xiàn)場相關(guān)數(shù)據(jù)信息的收集、儲存、調(diào)用與維護，得到所需的高程、坡度、線路全長測量數(shù)據(jù)信息，可以以此為依據(jù)構(gòu)建三維虛擬地面模型，進而借助模型提取建筑物的頂面信息。然后基于系統(tǒng)軟件實現(xiàn)對建筑物模型和地面模型的分層組合建模，以匹配融合的方式對工程建筑物的質(zhì)量進行檢測和評價。在此基礎(chǔ)上，也可以將數(shù)字相機以及其他類型的傳感設(shè)備與激光雷達應(yīng)用平臺聯(lián)系起來，對工程現(xiàn)場電力傳輸進行有效測量和檢查。

3.3 精密工程測量

3.3.1 精密測量結(jié)果

大渡河項目的相對航高為2 900 m，應(yīng)用激光雷達測繪技術(shù)，采用50 kHz 的發(fā)射頻率獲取點間距為2 m 的點云數(shù)據(jù)和地面分辨率為22 cm 的數(shù)碼影像。在實際測繪中，該項目應(yīng)用無人機（內(nèi)含激光雷達設(shè)備）共飛行3 個架次，測繪范圍包括4個分區(qū)61 條航線，數(shù)據(jù)覆蓋面積達800 km2。項目應(yīng)用激光雷達測繪技術(shù)時選取24 個規(guī)則建筑物角點，在明確激光數(shù)據(jù)平面誤差為0.527 m 的前提下，結(jié)合得到的平面點位誤差分布情況，得到項目平面高程精度的統(tǒng)計結(jié)果（見表1）。

表1 大渡河項目平面高程精度統(tǒng)計結(jié)果m

將表1 中得到的數(shù)據(jù)與GB/T 14912—2017《1：500 1：1 000 1：2 000 外業(yè)數(shù)字測圖規(guī)程》中的標準進行對比，考慮在1：2 000平面位置中的誤差限差為0.60 m，困難地區(qū)的誤差限差為0.90 m，高程精度限差為0.66 m，可以驗證該項目的激光平面精度符合工程測繪的設(shè)計要求。

3.3.2 激光測繪誤差檢測原理

激光測繪誤差系統(tǒng)由多個模塊組成，每個模塊在實際觀測中均存在一定的系統(tǒng)誤差。通常情況下，系統(tǒng)誤差分為定位誤差、測角誤差、測距誤差以及系統(tǒng)集成誤差。

測距誤差具體包括系統(tǒng)誤差和隨機誤差2 種類型。在設(shè)定系統(tǒng)誤差部分為Δp的情況下，可以得到如下公式：

式中，θi為瞬時掃描角；ex、ey、ez代表e位置在x、y、z軸上的坐標值。

在激光雷達掃描的直角坐標系中，測距誤差對飛機的前進方向分量不產(chǎn)生影響，主要在高程方向產(chǎn)生誤差（見表2）。

表2 10 cm 測距誤差引起的e 位置誤差

在測角誤差中，對工程測繪效果影響較明顯的為瞬時掃描角誤差。激光掃描電機的非勻速旋轉(zhuǎn)和掃描鏡的振動均會導(dǎo)致掃描角誤差。為了對橫軸方向造成的差異與掃描角之間的關(guān)系進行分析，以計算旋轉(zhuǎn)矩陣的方式，得到更精確的誤差結(jié)果?；诖?，引入由于掃描瞬時誤差引起的旋轉(zhuǎn)矩陣ΔRL，可基于以下公式計算旋轉(zhuǎn)矩陣：

式中，Δk、Δφ為設(shè)備掃描線在橫縱坐標相反方向的隨機角度偏差值，屬于偶然誤差；Δ?為掃描方向縱軸的隨機角度偏差，屬于零點誤差。

在定位誤差中，考慮動態(tài)差分GPS 的定位誤差也會對激光腳點精度產(chǎn)生影響，故應(yīng)從衛(wèi)星軌道運轉(zhuǎn)、接收機鐘差、衛(wèi)星鐘差、多路徑效應(yīng)等角度對誤差大小進行具體分析?？紤]到項目地形地勢環(huán)境特點，地面基站點位的觀測條件及航飛時機均對GPS 解算產(chǎn)生影響，因而在實際測繪中，應(yīng)在航帶平差時及時修正各航帶的平面位置和高程。

在系統(tǒng)集成誤差部分，應(yīng)重點考慮時間同步誤差、內(nèi)插誤差及坐標轉(zhuǎn)換誤差對測繪結(jié)果精準度的影響。以時間同步誤差為例，由于激光雷達測繪系統(tǒng)中的GPS 接收機、IMU、激光掃描儀等設(shè)備均以獨立方式進行工作，以確定激光腳點坐標為目的，確保激光脈沖發(fā)射時的位置、姿態(tài)及測距測角值為同一時刻下的觀測值。在設(shè)備飛行不穩(wěn)的情況下易產(chǎn)生時間偏差，影響激光點的精度。

3.3.3 誤差檢測結(jié)果分析

考慮激光測繪技術(shù)應(yīng)用過程中會產(chǎn)生精度誤差，該工程在獲得相應(yīng)測繪數(shù)據(jù)后，以檢驗高程精度的結(jié)果為主要目的，對分類后得到的激光點云數(shù)據(jù)形成的地面模型與實測的高程點進行誤差統(tǒng)計，在有植被、農(nóng)作物及河谷兩側(cè)的山坡上，基于同一坐標系統(tǒng)對實測值和激光數(shù)據(jù)進行檢查，獲得的統(tǒng)計誤差結(jié)果為0.332 m。

考慮該檢測誤差結(jié)果包含坐標轉(zhuǎn)換誤差及平面誤差，對硬質(zhì)裸露地面的高程點進行檢查，發(fā)現(xiàn)這些檢查點未被其他系統(tǒng)誤差影響，得到的中誤差數(shù)據(jù)為0.095 m。將該結(jié)果與GB/T 14912—2017《1：500 1：1 000 1：2 000 外業(yè)數(shù)字測圖規(guī)程》中的標準進行對比，發(fā)現(xiàn)實際測得的標準明顯低于相應(yīng)比例尺地形圖基本等高距的1/3。在比例尺為1：2 000 的情況下，標準高程精度為0.67 m，可以證實應(yīng)用該激光雷達測繪技術(shù)符合工程實際的設(shè)計要求。

4 結(jié)語

綜上所述，在工程測繪中應(yīng)用激光雷達測繪技術(shù)能有效提升工程測繪的精準度和檢測效率。在充分考慮工程項目現(xiàn)場實際環(huán)境條件基礎(chǔ)上，應(yīng)用激光雷達測繪技術(shù)應(yīng)明確激光雷達測繪技術(shù)的應(yīng)用原理，積極探索將激光雷達與先進科學(xué)技術(shù)有效融合的途徑和方法，在滿足工程測繪基本要求的同時加強工程質(zhì)量管理與控制，在確保測繪數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)真實性和準確性的前提下，推動工程測繪的數(shù)字化建設(shè)，進一步提升工程建設(shè)效果。