机载激光雷达测量技术在公路勘察设计中的应用分析

杨青坡（中铁工程设计咨询集团有限公司太原设计院，山西 太原 030000）

1 机载激光雷达测量技术概述

机载激光雷达技术是一种综合合理利用激光全球定位系统、惯性导航系统的数据采集技术，其与传统的航空摄影测量技术比较分析，具有其自身的独特优势，即自动化程度高、受天气影响比较小、生产周期较短、精确度较高等。主要应用到探测地面的三维坐标中，以此产生激光雷达数据影响，通过进行数据处理和软件处理，进一步生成地面DEM模型、等值线图、DOM正射影像图。机载激光雷达测绘技术主要就是把激光、全球定位、惯性导航、光学技术相结合，利用光学遥感技术，探测波段，以此有效获取地面物体反射能量大小和物体反射波谱的幅度、频率、相位等，针对所获得的数据信息，及时处理并定位，据此针对目标物体，准确测速和识别。现阶段，我国主要把机载激光雷达测绘技术应用到数字城市规划、工程建筑测量、电力设计勘测选线、线路监测、灾害监测、环境监测、林业种植与规划等领域。

2 机载激光雷达测量技术在公路勘察设计中的应用

2.1 采集参数选择

机载激光雷达测量具有其自身的独特参数，即激光点间隔、激光重叠度、影像地面分辨率、飞行高度等相关参数。激光点间隔主要是通过平均点间隔距离或点数加以表示，从而对最终地面点的插值精度有着直接影响。在点云到达一定密度值之后，精度会随着后期处理工作量不断增加，增大因为分类错误所导致的误差。切实根据工程相关数据信息，全面防止发生边缘变形误差，在后期处理数据时，剪切掉重叠区域的激光点。因此，在地形起伏并不大的情况下，机载激光雷达测量技术航测对航线旁向的重叠度，需要严格控制在20%-25%之间，只有这样才能够满足使用需求。地面分辨率和成图比例尺息息相关，以此描述像素代表地面的实际距离。飞行高度设计和成图的精确度要求密切相联系，也与激光设施设备和测区地形等相关联。所以，在实际工程中，需要对相关参数进行全面计算和详细分析。并且，随着激光器校验技术不断精确，飞行高度对激光精度的影响不断缩小。

2.2 辅助地面控制测量

激光点云的高程精度充分发挥着重要作用，在机载激光雷达测量中，一般都会设置与其相合适的地面基站测量，会涉及到地面控制测量的相关因素，其中主要有地面基站精确度、坐标转换、水准面拟合精度、卫星分布情况等。机载激光雷达飞行时，与传统测量比较分析，辅助地面基站测量工作强度大大降低，但是，技术要求难度会逐渐增加，在测量等级和精度的时候，要求非常高。

2.3 DOM和DEM制作

通过POS数据信息，计算外方位元素、相机参数迭代计算、影响镶嵌、影响和点云匹配等，可以制作数字正射影像图DOM。1:2000的DOM分辨率在0.2m以上，能够满足公路勘察设计可行性、初步设计、施工图纸设计各环节的需求。充分合理DOM，对点云数据进行分类判断和地物提取等，利用所获取的地面点在对应软件中，制作出可以满足需求的数字地形图DEM。

2.4 数字线划图DLG绘制

尽管DEM和DOM能够满足三维设计需求，但是此软件并不能完全满足生产需要。再加上，主流公路设计软件，在开展公路设计工作时，主要通过等高线，以此为主的数字线划图DLG。受相幅和相机限制，Lidar所获取的影像不适合通过立体测图的方式获得大面积DLG。一般来讲，利用DEM自动生成等高线和高程点，结合DOM进行道路和排水等地物要素的矢量化。严格按照野外调绘位置，描绘地下管线。Lidar相对敏感的地面上，电力和通讯线等都可以从影像上获取，也可以通过一定算法获取矢量。

2.5 断面采集

表1 激光点云测量精度统计

在进行公路勘察施工设计阶段，横断面的测量任务相对繁杂。机载激光雷达测量技术通过详细划分激光点云，以便于对植被覆盖比较密集的区域，可以获取更加精确的DEM，以此有效解决传统航测技术中所存在的主要问题。充分合理利用高精度DEM批量测绘线路上任意点的横断面，以此利于实现自动化，用时比较少，精确较高，还能够有效避免发生野外测量错误状况。

3 实例分析

明鑫煤矿至S303公路建设项目位于哈密市巴里坤县境内，其中最高处为线路中部的莫钦乌拉山。拟建路线所经地貌为一山两盆地，两边低中间为高山。路线起点的冲洪积准平原，由于山脉阻隔，使气候炎热，降雨量偏少，导致该处形成了类戈壁滩地貌；路线终点的冲洪积准平原，由于降雨相对丰富，气候较为适宜，使该处形成了草原地貌。路线所经地势起伏较大，高差变化大。这些都给外业勘测工作带来了极大的困难。由于该项目要求时间紧，项目组决定将机载激光雷达技术运用到公路设计过程中。

项目选用动力三角翼飞机搭载RIEGL公司的VP-1系统，该系统是一款最新型的集成机载激光扫描系统，为带状公路测图提供了优秀的解决方案。在工程区域沿线对道路全线进行770m、300m航高的高、低空数据采集。在高空数据采集中，主要进行大范围DOM和大比例尺DLG生成。在低空数据采集中，主要获取道路中心线两侧各150m范围内的高精度、高密度激光点云数据，可直接生成精密DEM。为了对精化处理后的激光点云数据精度进行定量分析，此项目利用实地测量的300个检查点，对激光点云数据的平面精度和高程精度分别进行了检查，具体结果见表1，激光雷达测量的成果优于道路改扩建定测与施工图设计的精度要求。

通过激光点云数据断面图，可以发现激光点云不仅能穿透茂密植被达到地面，而且可非常细致地反映出地面上的微地貌形态特征。项目可直接利用高密度、高精度的激光点云数据，按中桩距离法完成全线横断面三维地面线的生成工作。通过该方法不仅大大地减少了野外测量的工作量和工作强度，而且针对工程方案的变更对比可及时提供横断面数据，并可确保工程数量精确。

在设计过程中，根据激光雷达扫描测量的数据成果，通过建立数据交换接口的方式与CAD环境进行集成。利用纬地道路辅助设计软件，在纵、横断面和平面线位等交互设计中，直接对激光雷达测量的数据成果进行动态交互，实现纵断面的无序动态拉坡，并进行横断面的智能化自动设计，在可视化环境下对横断面的边坡类型和横断面任意部分进行修改和实时显示。利用高精度的高分彩色数字正射影像作为底图，结合平面线位设计数据，可直接对公路改扩建设计方案的成果进行直观形象的展示，从而进一步服务于道路改扩建工程的方案比选与优化设计。

4 结 语

该项目采用机载激光雷达系统，顺利完成外业测绘工作，并提供了DEM、DOM、DLG等一系列的成果。通过工程实践应用，即在激光雷达技术支持下不仅数据成果精度高，而且可降低外业工作强度，尤其是在戈壁荒漠等人员相对困难到达的地方，能够大量的减少人工成本，同时又能获取高精度的地形测绘成果，提高外业工作效率，通过数据比较其成果精度完全满足相关规范要求。