轻型机载激光雷达航测在公路勘测设计中的应用研究

邱泽玮

（中晟地理信息有限公司，湖北 武汉 430070）

机载激光雷达（LiDAR）测量系统是集激光测距技术、GPS 技术和惯性导航（INS）技术于一体的集成技术，是当今勘察测量业界最先进的技术。随着无人机低空航测技术的广泛应用，将轻小型激光雷达测量系统搭配无人机航测设备进行工程勘测，兼具效率、精度及勘测成果的多元化。利用该技术可以实现高自动化、高机动性勘测，且成果生产的周期相对较短，测绘成果精度较无人机普通数码航测高[1]。在成果种类上，与传统野外勘测相比，能额外提供数字表面模型（DSM）、数字高程模型（DEM）、数字正射影像（DOM）及高精度点云。因此，在公路勘测设计中，为了提高勘测作业效率、提供多元化的勘测成果，要强化对轻型机载激光雷达航测技术的应用。

1 工程概况

1.1 测区概况

本文以南京至盐城高速公路工程勘察设计项目NY-SJ-2 标为试验对象。NY-SJ-2 标从高邮南（截止到京杭运河特大桥桥尾）至盐靖高速（含盐靖枢纽）约58 km。高邮—兴化区段地貌区为里下河浅洼平原区，地貌单元为浅洼平原。测区范围如图1 所示。

图1 测区范围

1.2 项目任务

项目任务包含四个部分：基站联测、参考面测量；机载LiDAR 航空摄影；数据处理（点云数据处理以及1∶2000 比例尺DSM、DEM、DOM 制作）；1∶2000 地形图（DLG）制作。

2 项目实施的关键技术及设备

2.1 LiDAR 技术

机载激光雷达测量系统涵盖很多现阶段较为先进的技术，包括激光测距技术、GPS 技术及惯性导航(INS)技术等。将这一技术应用在公路勘测设计工程中，目的就是获取高精度的数字表面模型，保证勘测效率和精度。

本项目中，激光雷达测量系统采用SkyEye 天眼激光科技有限公司的SE-J500C 系统（如图2 所示），它集成了激光扫描仪、惯导系统及数码相机，其中，数码相机为Sony A7R；惯导系统型号为Applanix POS/AV 系列，采样频率100Hz；激光扫描仪的型号为RIEGL_VUX_1UAV，最大脉冲频率550KHz，扫描角度330°，飞机采用北方天途航空技术发展有限公司的M6FC6 旋翼无人机（如图3 所示）。

图2 SE-J500C激光雷达航测系统

图3 天途M6FC六旋翼无人机

2.2 LiDAR 航空摄影

航摄要严格按照要求执行，如果出现绝对漏洞或其他严重缺陷需要补摄[2]。漏洞补摄时要结合以往的设计航迹开展工作。对于不影响内业加密选点和模型连接的漏洞，只需补摄漏洞即可，实际航线如图4 所示。

图4 实际航摄航线

2.3 激光点云分类

（1）利用TerraSolid 软件滤波（分离地面点和非地面点）：该软件基于不规则三角网原理，通过设定参数阈值进行滤波。其主要的参数设置项为：Max building size、Terrian angle、Iteration angle 等，阈值大小取决于测区的地形以及植被的高低、密度等。 （2）将分离出来的非地面点进行细分：根据点的高度、分布的形状、密度、坡度等特征，对非地面点云进行分类。对于形状规则、空间特征明显的地物（如建筑物、电力塔等），可通过参数设置，利用软件自动提取。同时，采用人机交互方式辅助分类。也可利用基于反射强度、回波次数、地物形状等的算法或算法组合，对点云数据进行自动分类。

2.4 精度要求

DOM 不能有任何噪声、污点、划痕等，点云数据密度应大于1 个点/平方米。数字地面模型精度要求是 ：路线横断面数模提取精度应满足平面精度≤10 cm，高程精度≤5 cm。被交道路采集精度要求是：被交道路需按要求提取道路两侧边线、行车线等路线元素，提取精度应满足平面精度≤5 cm，高程精度≤3 cm[3]。

3 数据处理以及成果制作分析

3.1 LiDAR 数据处理流程

应用轻型机载激光雷达航测系统，针对数据处理层面，要按照LiDAR 数据处理流程（如图5 所示）进行。

图 5 LiDAR数据处理流程

（1）针对导航文件制作。依照实际情况对POS 姿态数据进行应用，同时联合应用地面GPS 基站数据共同处理，以获得相对精准的导航数据文件，提升测量效果和水平[4]。

（2）针对控制文件制作。在制作控制文件时，应严格检查，明确是否存在漏飞现象。然后结合覆盖数据，采用科学手段制作控制文件。

（3）针对三维激光点云坐标计算。科学处理原始激光数据，确保其可以成为原始的三维激光点云数据。然后结合数据所测得的平面和高程控制点，对二者进行校正，以精准计算出地表目标物的空间三维坐标。

3.2 DEM 制作

通常情况下，DEM 是用激光数据的末次回波生成的，制作流程为：（1）格网化。依照点云的坐标值，根据一定的点间隔，将经过校正的点云数据插入规则格网中。然后划分点云数据，将其分成多个大小的图幅[5]。（2）填补小缝隙。结合实际对经过格网化的点云数据进行填充处理，可以用周围点的灰度值填充影像中的小缝隙、小黑洞，提高高程值，确保没有任何黑洞现象。（3）生成浮雕影像。利用相应的技术手段，让处理完成的数据生成浮雕影像，以便后续生成三维模型，直观反映地表实际。（4）过滤。填充、去粗点工作结束后，还要进行过滤处理。过滤时，要先进行过滤参数试验，只有选好过滤参数，才能过滤好，进而保证数据成果质量，减少手工工作量。过滤参数试验结束后，将参数应用于所有过滤命令中。（5）手工编辑。过滤后影像上有很多黑洞，大多是过滤掉地物遗留下来的，一般应用程序无法将其过滤干净，需要人工干预。（6）内插。要想彻底清除影像上的黑洞，应进行内插处理，利用黑洞周围的高程点，将黑洞内插上，保证地面具有较强的平坦性。（7）裁剪重叠区。内插结束后，需要剪裁每幅影像边缘的重叠部分，最终生成DEM 模型。

3.3 DOM 制作

首先，DOM 制作要进行正射影像校正，利用生成的DEM，合理地对外业采集的影像进行微分对纠正，以便在短时间内生成单幅正射影像。其次，要进行匀色。将获取的影像导入Inpho 软件，实现对正射影像的匀色处理，确保影像整体颜色协调、匀称。再次，需要对编辑镶嵌线进行合理制作。最后，进行影像分幅制作，最终生成正射影像DOM[6]。

4 结束语

在公路勘测设计中，利用轻型机载激光雷达航测技术，可以实现高自动化、高机动性勘测，且勘测效率高、成果生产周期较短，测绘成果精度较高。然而，该技术虽较为先进，但要想广泛应用于公路勘测设计项目，还需出台相应的技术规范和标准，强化应用研究。