机载 LIDAR 系统在公路断面测量中的应用与精度分析2

管华煜

摘 要：本文以机载LIDAR系统在公路断面测量中的应用为研究对象，论文叙述了机载激光扫描测量系统在公路断面测量中的应用过程，通过数据，对纵横断面检查精度进行了分析，说明机载激光扫描测量系统可以应用于公路勘测，其精度完全符合使用需要。

关键词：机载LIDAR 公路断面 测量 精度分析 公路勘测

中图分类号：P204 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（b）-0000-00

1 研究背景

机载 LIDAR 是一种集激光扫描、全球定位系统（GPS）、惯性导航系统（IMU）于一体的空间测量系统（如图 1 所示），三者结合在一起，使击中目标的光速的足迹位置和方向达到高度的准确性。因此它测量的地理模型比传统的摄影测量方法得到的更加详细和准确。

机载激光扫描系统由空中测量平台、激光系统、姿态测量和导航系统、数码相机、计算机及软件等组成。空中测量平台是航空激光扫描测量系统进行作业的空间载体和操作平台，主要为直升飞机或其它飞机，用来装载航空激光扫描测量系统所需要的各种仪器仪表和操作人员。

GPS 接收机、IMU 惯性制导仪、导航计算机构成了姿态测量和导航系统。GPS接收机采用差分定位技术确定平台的坐标。IMU 惯性制导仪测量航飞平台的姿态，用于对发射激光束角度的校正以及地面图像的纠正。在没有植被的区域，比方说道路旱地等，激光点完全保留下来，地面激光点平均间距为 1.2 米-1.6 米；在植被覆盖一般的地区，比方说桉树林等，由于植被阻挡，有一部分激光点无法照射到地面上，地面激光点平均间距为 2 米-5 米；在植被非常茂密的地区，比方说成片的甘蔗地，激光点穿透到地面比较困难，但只要有缝隙，激光点就可以穿透到地面上，地面激光点平均间距为 3 米-8 米，激光点间距最大不大于 20 米。激光点分类完以后，对所有的地面激光高程点进行不规则三角网建模，生成数字地面模型，按规则格网存储，格网大小为 0.5 米。纵横断面测量在数字地面模型上采用计算机自动生成，根据给出的中桩坐标，在数字地面模型上求出其高程值，然后再在垂直中线方向上自动寻找特征点，并将特征相对与中桩的距离和高差保存起来，横断面计算步长一般取 0.5 米。高程值采用双线性内差求得。

2 野外实测纵横断面方法

中桩放样采用 GPS RTK 进行，其高程采用 GPS RTK 高程，放样点一般是在坡度变化比较大的地方或道路边上等一些特征比较明显的地方。部分中桩高程采用中平方式联测了附近的水准点。横断面测量采用全站仪直接架设到中桩上，用下一个中桩定向进行测量，直接测量特征点到中桩的距离和高差。由于实际植被比较茂盛，通视条件比较差。

3 单个激光高程点精度分析

为保证激光高程点检查的准确性，实际检查地点选择在硬化的水泥路面上，先将激光点按实际坐标放样，再用五等水准观测方法与已知水准点进行联测。本次检查地点选在深汕西高速公路I47 和 I72 附近，实际检查激光点 74 个，绝对中误差0.057米，相对中误差0.034米。激光高程点存在系统误差，绝大多数激光点的高程都比实测的高程要小几厘米，从检查结果来看，激光点绝对高程中误差为 0.057 米，但对激光点高程进行加常数改正后，其相对高差中误差为 0.034 米。根据检测样本数据，激光高程点数据在硬化水泥路面上的高程基本上可以满足公路改造的要求。

4 纵断面精度检查

纵断面精度检查主要检查实际放样的中桩高程与室内根据地模求出来的高程值之差。其中上中平的中桩个数为 25 个，高程中误差0.098米，高差为正点个数6个，高差为负点个数为19个；采用 GPS RTK 高程检查的中桩个数为 506 个，高差为正点个数为136个，高差为负点个数为370个，高程中误差为0.202。

实测上中平的中桩主要分布在路的两边，旁边没有明显植被遮挡，检查点高程中误差为 0.098mm。这说明在在没有植被遮挡的情况下，地面模型的高程精度可以达到 0.098mm，这种地方主要是指硬化的路面，空旷的平地以及没有植被的旱地等。采用 GPS RTK 高程进行的检查的中桩沿着路线均匀分布，按初测要求，一般在纵坡变化的地方以及地物分类处，包括坎上、坎下、树林中，水沟中、道路两边以及小路中间等，基本上包括了可以反映数字地面模型不同地方精度的所有特征点。实际检查特征点 506 个，高程中误差为 0.202mm。这说明地面模型的整体精度为 0.202mm。根据地模计算出来的纵断面高程中误差也应该为 0.202mm。高差为正的点和为负的点个数相差比较大，为负的点个数占总数的 73.2%。这说明地面模型有一定的系统误差，这主要是跟飞行过程中的定位精度和激光点是否直接测到地面上或者是地面上的矮小植被上有关。

5 横断面精度检查

横断面检查主要选在一些有代表性的地方进行横断面实测，再与室内根据数字地面模型生成的横断面进行精度比较。检查范围主要选在道路旁边、植被比较茂盛的桉树林中、甘蔗地里面、稻田、水沟旁边以及地形比较复杂的地方。横断面检查由于室内根据数字地面模型计算出来，按 0.5 米一个点进行采集，横断面宽度为 45 米左右。因此，对于特征点的距离精度比较不是很明显，因此，实际检查时比较实测特征点跟室内横断面线同样距离的地方的高程之差。本次共实测横断面 38 条，检查特征点个数 395 个，横断面高程检查精度为 0.226mm，高差为负的点数为 292 个，占总点数的 73.9%，这与纵断面检查数据基本一致。

6 结果分析

从纵横断面检查精度来看，纵断面检查精度为 0.202mm，横断面检查精度为0.226mm。纵横断面检查精度基本一致，这说明本次精度检查完全符合实际情况，检查数据可靠。由于纵横断面的精度实际都是反映数字地面模型的精度，通过不同的方式进行检查，得出同样的精度指标，这说明湛江-徐闻段高速公路数字地面模型的精度为 0.2 米左右，通过数字地面模型计算出来的纵横断面精度也应该为0.2 米左右。

根据《公路勘测规范》，对于高速公路定测，其横断面高程检查限差符合以下规定：

m = ±（ h/100+L/200+0.1） （1）

实际检查时，横断面平均宽度为 45 米左右，高差平均为 1.5 米左右，则根据（1）式，其限差为 0.34 米。而根据数字地面模型计算出来的横断面精度为 0.226米，远低于限差要求，因此，根据数字地面模型计算出来的横断面精度符合公路定测的要求。对于纵断面。根据公路定测实际情况，必须进行实际放样，其高程通过实际测量求得，室内求出来的高程可以对实测进行检查；对于横断面，则可以通过室内求得，其中桩高程采用实际放样高程，对于一些特殊地方，比方说比较宽的水沟，可以通过实测水底的高程，对室内横断面进行误差改正。

7小结

本文主要叙述了机载激光扫描测量系统在公路断面测量中的应用过程，通过数据，对纵横断面检查精度进行了分析，说明机载激光扫描测量系统可以应用于公路勘测，其精度完全符合使用需要。

参考文献

[1] 张祖勋，张剑清.数字摄影测量学.武汉测绘科技大学出版社，1997.

[2] 程正逢，王盛才，等.航空激光扫描测量系统在国外工程中的应用.地理空间信息，2003，（3）.