機(jī)載三維激光掃描技術(shù)在公路地形測量中的應(yīng)用研究

王文才 李治

摘 要：【目的】隨著技術(shù)的不斷更新發(fā)展，傳統(tǒng)測量方法已無法滿足公路地形測量的需求。三維激光掃描測量技術(shù)的應(yīng)用使數(shù)據(jù)采集方法、處理方法及服務(wù)能力和水平均得到提高，因此，可以將三維激光掃描測量技術(shù)應(yīng)用于公路地形測量中，從而提高測量效率?！痉椒ā繉C(jī)載三維激光掃描技術(shù)在公路地形測量中的數(shù)據(jù)掃描獲取過程及后續(xù)數(shù)據(jù)的預(yù)處理、數(shù)學(xué)建模和繪制地形圖中的應(yīng)用進(jìn)行研究，并結(jié)合平原區(qū)G310鄭州境改擴(kuò)建工程、山區(qū)沿大別山明港至雞公山高速公路兩個項目，對使用三維激光掃描地形得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，繪制出道路沿線1∶2 000帶狀地形圖，并進(jìn)行檢查分析。【結(jié)果】試驗結(jié)果表明，機(jī)載三維激光掃描技術(shù)在公路地形測量中的應(yīng)用取得了預(yù)期效果?！窘Y(jié)論】通過機(jī)載三維激光掃描技術(shù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)獲得的DOM、DTM、DLG產(chǎn)品精度滿足要求，可直接應(yīng)用于公路勘測設(shè)計。

關(guān)鍵詞：機(jī)載三維激光掃描技術(shù)；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理；公路地形測量；檢查分析

中圖分類號：P901? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1003-5168（2024）04-0009-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.04.002

Research on Application of Airborne Three-Dimensional Laser Scan Technology in Highway Terrain Measurement

WANG Wencai? ? LI Zhi

（Henan Provincial Communications Planning & Design Institute Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China）

Abstract： [Purposes] With the development of technology， the traditional surveying method can not meet the demand of highway topographic survey. The emergence of 3D laser scanning measurement technology has greatly promoted the development of surveying and mapping technology， and the data acquisition method， processing method， service ability and level have been improved， therefore 3D laser scanning measurement technology can be applied to highway topographic survey to improve survey efficiency. [Methods] This paper mainly studies the process of airborne 3D laser scanning technology used in highway topographic survey data scanning acquisition and subsequent data preprocessing， mathematical modeling and topographic map drawing. [Findings] The point cloud data obtained by 3D laser scanning were processed and analyzed in combination with the two representative projects of G310 Zhengzhou-Jingcheng reconstruction and expansion project in plain area and the highway from Minggang to Jigongshan in Dabia Mountain area. The 1∶2 000 strip topographic map along the road was drawn and analyzed. It is shown that the airborne 3D laser scanning technology has achieved the expected effect in highway topographic survey. [Conclusions] The accuracy of DOM， DTM and DLG products obtained from airborne 3D laser scanning point cloud data and image data can meet the requirements， and can be directly applied to highway survey and design.

Keywords： airborne three-dimensional laser scanning technology; point cloud data; data processing; highway topographic survey; inspection and analysis

0 引言

隨著我國公路建設(shè)的發(fā)展，建設(shè)重點(diǎn)逐步從東部地區(qū)向中西部地區(qū)轉(zhuǎn)移、從平原微山區(qū)向復(fù)雜的山區(qū)及丘陵區(qū)轉(zhuǎn)移。與此同時，隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，道路交通量也急劇增加，加快重要交通走廊的改造和擴(kuò)建，提高道路的通行能力已迫在眉睫。如何高效迅速、安全準(zhǔn)確地獲取現(xiàn)場地形數(shù)據(jù)，為道路改造和擴(kuò)建提供準(zhǔn)確、完整、豐富的數(shù)據(jù)信息支持，已成為公路勘測和建設(shè)中的一個重要問題。

近年來，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在高速公路勘測設(shè)計中的應(yīng)用越來越多，也取得了較好的成果和社會效益［1-2］。三維激光掃描測量法采用非接觸測量方式來直接測取高精度三維空間數(shù)據(jù)，能對所有地物進(jìn)行掃描測量，且不分白天和黑夜，可以快速將現(xiàn)實世界的信息轉(zhuǎn)換為空間三維數(shù)據(jù)。該方法克服了傳統(tǒng)測量作業(yè)方式的局限性，將其應(yīng)用到公路地形測量中，能大大提高測量作業(yè)的效率。本研究通過將機(jī)載三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于公路地形測量中，提出了一種快捷、高效的技術(shù)流程，并在沿大別山明港至雞公山高速公路的地形測量中驗證了其可行性及測量精度。

1 機(jī)載三維激光掃描技術(shù)

機(jī)載激光雷達(dá)是一種主動式的對地觀測系統(tǒng)，能直接獲取高精度三維空間數(shù)據(jù)和數(shù)字信息模型，其集成了激光測距技術(shù)、全球定位系統(tǒng)及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，具有傳統(tǒng)攝影測量方法無法取代的優(yōu)越性［3］。機(jī)載激光掃描測量技術(shù)采用光學(xué)遙感技術(shù)進(jìn)行波段檢測，可有效獲取特征反射能量的大小及地面物體反射光譜的幅度、頻率和相位，能及時處理數(shù)據(jù)，并定位處理后的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對物體目標(biāo)的準(zhǔn)確測量與識別［4］。

三維激光掃描儀是一種自動快速測量系統(tǒng)，通過將角度測量系統(tǒng)與激光測距儀相結(jié)合，可快速掃描和測量復(fù)雜的場景與空間物體，直接獲得激光光斑所接觸的地面物體表面的天頂距離、傾斜范圍、水平方向和反射強(qiáng)度，進(jìn)而自動存儲并計算來獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)。三維激光掃描儀測量距離最長可達(dá)數(shù)公里，掃描頻率可達(dá)到每秒數(shù)十萬次，水平方向可圍繞儀器的垂直軸掃描360°整圈，垂直掃描角θ接近于90°，而且通過TCP / IP協(xié)議可將掃描獲得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)。同時，外部數(shù)碼相機(jī)拍攝的場景圖像也可通過USB數(shù)據(jù)線并行傳輸?shù)接嬎銠C(jī)。使用專業(yè)軟件處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并結(jié)合CAD軟件，可快速重建被測對象的3D模型和各種所需的繪圖數(shù)據(jù)，如線、面和空間［5］。

2 機(jī)載三維激光掃描技術(shù)在公路地形測量中應(yīng)用的技術(shù)流程

機(jī)載三維激光掃描技術(shù)在工程中的應(yīng)用步驟包括前期準(zhǔn)備、外業(yè)航飛、數(shù)據(jù)處理、產(chǎn)品制作等。

2.1 前期準(zhǔn)備

在項目工程開始前，需要先收集相關(guān)測區(qū)資料，明確測區(qū)范圍，然后根據(jù)測區(qū)范圍申請空域。航飛前，要先設(shè)計作業(yè)計劃，包括設(shè)備選型、航線設(shè)計（飛行高度、速度、航帶重疊度）、地面基站選址等。

2.2 外業(yè)航飛

在項目準(zhǔn)備階段開始時，按常規(guī)覆蓋來布設(shè)航線，保證航向重疊度60%、旁向重疊度30%。SZT-R1000移動測量系統(tǒng)采用先進(jìn)的定點(diǎn)自動曝光控制技術(shù)，能完全保證相片航向的重疊度要求。飛機(jī)航高控制可參照飛機(jī)氣壓高度表，攝影員通過航攝操作儀OC62來控制進(jìn)線和飛行高度偏差。根據(jù)設(shè)計要求，同一航線上最大飛行高度與最小飛行高度的差值不應(yīng)大于50 m，相鄰相片的飛行高度差值不應(yīng)大于30 m。測區(qū)范圍內(nèi)設(shè)計飛行高度與實際飛行高度差值不應(yīng)大于設(shè)計航高的5%～10%，接近臨界值時應(yīng)要求飛行員對飛機(jī)航高進(jìn)行修正。SZT-R1000攜帶的導(dǎo)航儀OC60集成了配套導(dǎo)航軟件，可指導(dǎo)飛行員按照設(shè)計航線飛行。GPS導(dǎo)航系統(tǒng)能直觀顯示航跡偏差，可將漂移減至最小。使用激光時無須考慮太陽光照情況，但因測區(qū)仍需影像成果，所以為避免航攝像片上的陰影過大，要求太陽高度角應(yīng)大于20°。

外業(yè)航飛完成后，應(yīng)及時對飛行數(shù)據(jù)質(zhì)量和完整性進(jìn)行檢查，數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度、原始圖像質(zhì)量、飛行航高及重疊度是否滿足要求，數(shù)據(jù)完整性包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)是否符合要求。若不滿足合規(guī)范要求，則需要再次進(jìn)行外業(yè)航飛。

2.3 機(jī)載三維激光掃描數(shù)據(jù)處理

2.3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理。機(jī)載三維激光掃描數(shù)據(jù)預(yù)處理過程如下：首先，對航飛數(shù)據(jù)進(jìn)行POS解算，得到PosT文件，從而獲得載體的姿態(tài)及位置信息；其次，對解算后的數(shù)據(jù)進(jìn)行激光處理，并對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼；最后，根據(jù)用戶需求，對數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲取WGS-84坐標(biāo)系下的點(diǎn)云坐標(biāo)。

2.3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類。采用Terrasolid數(shù)據(jù)處理軟件對機(jī)載三維激光掃描點(diǎn)云進(jìn)行分類處理，主要過程如下：明確測區(qū)范圍、分塊處理點(diǎn)云；采用濾波算法批量進(jìn)行分類、去除噪點(diǎn)；人工對點(diǎn)云數(shù)據(jù)再次進(jìn)行分類。

2.4 產(chǎn)品制作

在將機(jī)載三維激光掃描數(shù)據(jù)處理后，根據(jù)需要可制作出DTM（數(shù)字地面模型）、DOM（正射影像圖）、DLG（數(shù)字線劃圖）等工程中所需的數(shù)字產(chǎn)品，產(chǎn)品生產(chǎn)流程如圖1所示。

2.4.1 數(shù)字地面模型（DTM）制作。首先，對校正后的三維激光點(diǎn)云進(jìn)行分類，生成地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)。其次，根據(jù)分類后的地面點(diǎn)數(shù)據(jù)可獲得末次回波的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。最后，對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行格網(wǎng)化、去除噪點(diǎn)、內(nèi)插等操作，獲得數(shù)字表面模型。在此基礎(chǔ)上，采用外業(yè)實測和內(nèi)業(yè)航測的方法來采集地物地形的特征點(diǎn)線，從而生成滿足設(shè)計要求的數(shù)字表面模型。基于激光雷達(dá)地面點(diǎn)云生成的DTM產(chǎn)品如圖2所示。

2.4.2 正射影像圖（DOM）制作?；诳杖用艹晒皵?shù)字高程模型，采用德國INPHO數(shù)字?jǐn)z影測量軟件的數(shù)字微分糾正模塊，設(shè)置地面分辨率為0.2 m，對原始影像進(jìn)行嚴(yán)格正射糾正，生成相對應(yīng)的單張正射影像。采用德國INPHO數(shù)字?jǐn)z影測量軟件或俄羅斯PHOTOMOD數(shù)字?jǐn)z影測量軟件中的影像鑲嵌模塊，使整個區(qū)域上千張單張數(shù)字正射影像無須進(jìn)行任何細(xì)分處理就可直接鑲嵌。首先，使用機(jī)載三維激光掃描處理工具軟件對影像進(jìn)行裁切，從而生成圖幅結(jié)合圖。其次，使用Photoshop等圖像處理軟件對局部變形的地物進(jìn)行修補(bǔ)。最后，獲得高質(zhì)量的正射影像圖。 DOM產(chǎn)品如圖3所示。

2.4.3 數(shù)字線劃圖（DLG）制作。通過機(jī)載LiDAR 航攝獲得點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)，采用LiDAR數(shù)據(jù)處理軟件TerraSolid對原始點(diǎn)云進(jìn)行去噪和分類處理，獲得高精度地面點(diǎn)。根據(jù)地面點(diǎn)來生成數(shù)字高程模型DEM，并結(jié)合高精度POS 信息、航飛影像和地面點(diǎn)來制作正射影像DOM。根據(jù)飛影像和像控點(diǎn)進(jìn)行空中三角測量，恢復(fù)立體，進(jìn)行地物及部分地貌數(shù)據(jù)采集，根據(jù)激光雷達(dá)地面點(diǎn)云進(jìn)行高程點(diǎn)及等高線等地貌數(shù)據(jù)的生成。內(nèi)業(yè)測圖時采用的是MapMatrix全數(shù)字?jǐn)z影測量工作站，根據(jù)《國家基本比例尺地圖圖式第1部分：1∶500 1∶1 000 1∶2 000 地形圖圖式》（GB/T 20257.1—2017）、《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖航空攝影測量數(shù)字化測圖規(guī)范》（GB/T 15967—2008）中的要求來采集地物、地貌要素?？傮w原則如下：數(shù)據(jù)采集按內(nèi)業(yè)定位、外業(yè)定性的原則進(jìn)行。采集數(shù)據(jù)時應(yīng)保證數(shù)據(jù)的完整性，對應(yīng)該閉合的地物要閉合采集，臨近地物應(yīng)盡量采集，測圖時應(yīng)測出內(nèi)圖廓線外5 mm；要準(zhǔn)確判斷出輪廓內(nèi)采集的信息元素，用位點(diǎn)直接繪出可判斷的地貌地物，先測量地物外圍邊線，再采集內(nèi)部地貌地物構(gòu)成的封閉圖形，不得變形、缺失和移位；當(dāng)?shù)匚镙喞糠终谏w時，應(yīng)標(biāo)注記號予以說明，留待外業(yè)補(bǔ)測處理。要準(zhǔn)確判讀相片上影像的信息，并精確地測繪在圖上。生成的DLG產(chǎn)品如圖4所示。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

信陽市大別山脈南側(cè)明港至雞公山高速公路全長約為100 km，地勢起伏較大，地形復(fù)雜。項目勘測設(shè)計時間緊迫，且周圍植被環(huán)境復(fù)雜，勘測工作難度大。為了保證項目工程進(jìn)度及數(shù)據(jù)采集精度要求，采用機(jī)載激光掃描技術(shù)對該路線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理。

3.2 數(shù)據(jù)采集及處理

由于高速公路的測區(qū)范圍較大，采用SZT-R1000長測程高精度移動測量系統(tǒng)采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在有人直升機(jī)上搭載SZT-R1000移動測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了IMU、GPS、激光雷達(dá)設(shè)備和工業(yè)相機(jī)設(shè)備，一次飛行可同時獲得高分辨率影像數(shù)據(jù)和高精度地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。該方法具有以下優(yōu)勢：激光雷達(dá)可有效通過植被縫隙穿透植被，測量地面點(diǎn)，獲取植被下方地面高程信息，高程精度可靠；影像數(shù)據(jù)無須進(jìn)行像控測量，能實現(xiàn)真正的免像控測量。

用高精度徠卡GPS接收機(jī)架設(shè)地面基站，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。外業(yè)航飛結(jié)束后要及時對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，在航飛數(shù)據(jù)符合要求后，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而獲得DTM、DOM、DLG等數(shù)字產(chǎn)品。分類完成后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖5所示。

3.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度分析

根據(jù)規(guī)范要求，在測區(qū)范圍內(nèi)隨機(jī)采集了178個高程點(diǎn)進(jìn)行檢核，并與點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，經(jīng)過統(tǒng)計分析計算，機(jī)載三維激光掃描點(diǎn)云高程的中誤差為0.15 m，滿足精度要求，點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度分析詳見表1。

3.4 成果應(yīng)用

通過機(jī)載三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)獲得的DOM、 DTM、DLG，可直接應(yīng)用于公路勘測設(shè)計中，高精度DTM可精確地計算出線路填挖方數(shù)據(jù)。在地形復(fù)雜、植被密集的地區(qū)，生成的DTM數(shù)據(jù)也能很好地表達(dá)。因此，在山地公路的設(shè)計過程中，可根據(jù)規(guī)定的中心樁距，自動將DTM數(shù)據(jù)生成截面數(shù)據(jù)。這樣既降低了山區(qū)野外測量的復(fù)雜度，又大大縮短了施工周期。

4 結(jié)語

三維激光掃描測量系統(tǒng)具有高效、精準(zhǔn)的優(yōu)勢，將該方法應(yīng)用于公路地形測量中是一個很好的選擇。三維激光掃描測量技術(shù)的廣泛應(yīng)用在很大程度上促進(jìn)了測量工作，使測量工作得以順利開展，采集的相關(guān)測量數(shù)據(jù)也逐漸完善。但三維激光掃描系統(tǒng)在進(jìn)行測量制作成圖過程當(dāng)中，需要依靠GPS、全站儀等測量儀器設(shè)備，才能精準(zhǔn)獲得各個測站的坐標(biāo)信息數(shù)據(jù)。在這一測量過程中，需要提高測站定位的精度、明確目標(biāo)地物的反射面結(jié)果及減少外界環(huán)境的干擾，只有保證地形測量中成圖的質(zhì)量，才能確保測量數(shù)據(jù)的精確性。

本研究提出將機(jī)載三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于公路地形測量中，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及影像產(chǎn)品制作的技術(shù)流程，大大縮短了公路勘測項目的工期，提高了測圖作業(yè)的效率，在地形復(fù)雜地區(qū)獲取數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確度上也有了很大的改進(jìn)。機(jī)載三維激光掃描技術(shù)在公路測繪設(shè)計中將起到重要作用。

參考文獻(xiàn)：

［1］張麗軍，潘家偉，曹志勇.基于機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的山區(qū)高速公路勘測設(shè)計方案探究［J］.公路工程，2018（6）：169-173.

［2］王濤.機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在山區(qū)公路勘察設(shè)計中的應(yīng)用［J］.西部交通科技，2018（4）：38-42.

［3］張煜，竇延娟，張曉東.機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理［J］.長江科學(xué)院院報，2010（1）：13-16，21.

［4］周萬堅.機(jī)載激光雷達(dá)測繪技術(shù)淺析［J］.科技致富向?qū)В?013（19）：20，22.

［5］吳耀，龔珺.基于激光掃描技術(shù)的三維模型重建［J］.科技信息，2013（3）：102-103.