机载三维激光扫描技术在公路地形测量中的应用研究

王文才 李治

摘 要：【目的】随着技术的不断更新发展，传统测量方法已无法满足公路地形测量的需求。三维激光扫描测量技术的应用使数据采集方法、处理方法及服务能力和水平均得到提高，因此，可以将三维激光扫描测量技术应用于公路地形测量中，从而提高测量效率。【方法】对机载三维激光扫描技术在公路地形测量中的数据扫描获取过程及后续数据的预处理、数学建模和绘制地形图中的应用进行研究，并结合平原区G310郑州境改扩建工程、山区沿大别山明港至鸡公山高速公路两个项目，对使用三维激光扫描地形得到的点云数据进行处理与分析，绘制出道路沿线1∶2 000带状地形图，并进行检查分析。【结果】试验结果表明，机载三维激光扫描技术在公路地形测量中的应用取得了预期效果。【结论】通过机载三维激光扫描技术点云数据和图像数据获得的DOM、DTM、DLG产品精度满足要求，可直接应用于公路勘测设计。

关键词：机载三维激光扫描技术；点云数据；数据处理；公路地形测量；检查分析

中图分类号：P901     文献标志码：A     文章编号：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

隨着我国公路建设的发展，建设重点逐步从东部地区向中西部地区转移、从平原微山区向复杂的山区及丘陵区转移。与此同时，随着社会经济的快速发展，道路交通量也急剧增加，加快重要交通走廊的改造和扩建，提高道路的通行能力已迫在眉睫。如何高效迅速、安全准确地获取现场地形数据，为道路改造和扩建提供准确、完整、丰富的数据信息支持，已成为公路勘测和建设中的一个重要问题。

近年来，机载激光雷达技术在高速公路勘测设计中的应用越来越多，也取得了较好的成果和社会效益［1-2］。三维激光扫描测量法采用非接触测量方式来直接测取高精度三维空间数据，能对所有地物进行扫描测量，且不分白天和黑夜，可以快速将现实世界的信息转换为空间三维数据。该方法克服了传统测量作业方式的局限性，将其应用到公路地形测量中，能大大提高测量作业的效率。本研究通过将机载三维激光扫描技术应用于公路地形测量中，提出了一种快捷、高效的技术流程，并在沿大别山明港至鸡公山高速公路的地形测量中验证了其可行性及测量精度。

1 机载三维激光扫描技术

机载激光雷达是一种主动式的对地观测系统，能直接获取高精度三维空间数据和数字信息模型，其集成了激光测距技术、全球定位系统及惯性导航系统，具有传统摄影测量方法无法取代的优越性［3］。机载激光扫描测量技术采用光学遥感技术进行波段检测，可有效获取特征反射能量的大小及地面物体反射光谱的幅度、频率和相位，能及时处理数据，并定位处理后的数据，从而实现对物体目标的准确测量与识别［4］。

三维激光扫描仪是一种自动快速测量系统，通过将角度测量系统与激光测距仪相结合，可快速扫描和测量复杂的场景与空间物体，直接获得激光光斑所接触的地面物体表面的天顶距离、倾斜范围、水平方向和反射强度，进而自动存储并计算来获得点云数据。三维激光扫描仪测量距离最长可达数公里，扫描频率可达到每秒数十万次，水平方向可围绕仪器的垂直轴扫描360°整圈，垂直扫描角θ接近于90°，而且通过TCP / IP协议可将扫描获得的数据传输到计算机。同时，外部数码相机拍摄的场景图像也可通过USB数据线并行传输到计算机。使用专业软件处理点云数据，并结合CAD软件，可快速重建被测对象的3D模型和各种所需的绘图数据，如线、面和空间［5］。

2 机载三维激光扫描技术在公路地形测量中应用的技术流程

机载三维激光扫描技术在工程中的应用步骤包括前期准备、外业航飞、数据处理、产品制作等。

2.1 前期准备

在项目工程开始前，需要先收集相关测区资料，明确测区范围，然后根据测区范围申请空域。航飞前，要先设计作业计划，包括设备选型、航线设计（飞行高度、速度、航带重叠度）、地面基站选址等。

2.2 外业航飞

在项目准备阶段开始时，按常规覆盖来布设航线，保证航向重叠度60%、旁向重叠度30%。SZT-R1000移动测量系统采用先进的定点自动曝光控制技术，能完全保证相片航向的重叠度要求。飞机航高控制可参照飞机气压高度表，摄影员通过航摄操作仪OC62来控制进线和飞行高度偏差。根据设计要求，同一航线上最大飞行高度与最小飞行高度的差值不应大于50 m，相邻相片的飞行高度差值不应大于30 m。测区范围内设计飞行高度与实际飞行高度差值不应大于设计航高的5%～10%，接近临界值时应要求飞行员对飞机航高进行修正。SZT-R1000携带的导航仪OC60集成了配套导航软件，可指导飞行员按照设计航线飞行。GPS导航系统能直观显示航迹偏差，可将漂移减至最小。使用激光时无须考虑太阳光照情况，但因测区仍需影像成果，所以为避免航摄像片上的阴影过大，要求太阳高度角应大于20°。

外业航飞完成后，应及时对飞行数据质量和完整性进行检查，数据质量检查包括点云数据密度、原始图像质量、飞行航高及重叠度是否满足要求，数据完整性包括点云数据、图像数据是否符合要求。若不满足合规范要求，则需要再次进行外业航飞。

2.3 机载三维激光扫描数据处理

2.3.1 数据预处理。机载三维激光扫描数据预处理过程如下：首先，对航飞数据进行POS解算，得到PosT文件，从而获得载体的姿态及位置信息；其次，对解算后的数据进行激光处理，并对原始數据进行解码；最后，根据用户需求，对数据进行坐标转换，获取WGS-84坐标系下的点云坐标。

2.3.2 点云数据分类。采用Terrasolid数据处理软件对机载三维激光扫描点云进行分类处理，主要过程如下：明确测区范围、分块处理点云；采用滤波算法批量进行分类、去除噪点；人工对点云数据再次进行分类。

2.4 产品制作

在将机载三维激光扫描数据处理后，根据需要可制作出DTM（数字地面模型）、DOM（正射影像图）、DLG（数字线划图）等工程中所需的数字产品，产品生产流程如图1所示。

2.4.1 数字地面模型（DTM）制作。首先，对校正后的三维激光点云进行分类，生成地面点和非地面点。其次，根据分类后的地面点数据可获得末次回波的点云数据。最后，对处理后的数据进行格网化、去除噪点、内插等操作，获得数字表面模型。在此基础上，采用外业实测和内业航测的方法来采集地物地形的特征点线，从而生成满足设计要求的数字表面模型。基于激光雷达地面点云生成的DTM产品如图2所示。

2.4.2 正射影像图（DOM）制作。基于空三加密成果及数字高程模型，采用德国INPHO数字摄影测量软件的数字微分纠正模块，设置地面分辨率为0.2 m，对原始影像进行严格正射纠正，生成相对应的单张正射影像。采用德国INPHO数字摄影测量软件或俄罗斯PHOTOMOD数字摄影测量软件中的影像镶嵌模块，使整个区域上千张单张数字正射影像无须进行任何细分处理就可直接镶嵌。首先，使用机载三维激光扫描处理工具软件对影像进行裁切，从而生成图幅结合图。其次，使用Photoshop等图像处理软件对局部变形的地物进行修补。最后，获得高质量的正射影像图。 DOM产品如图3所示。

2.4.3 数字线划图（DLG）制作。通过机载LiDAR 航摄获得点云和影像数据，采用LiDAR数据处理软件TerraSolid对原始点云进行去噪和分类处理，获得高精度地面点。根据地面点来生成数字高程模型DEM，并结合高精度POS 信息、航飞影像和地面点来制作正射影像DOM。根据飞影像和像控点进行空中三角测量，恢复立体，进行地物及部分地貌数据采集，根据激光雷达地面点云进行高程点及等高线等地貌数据的生成。内业测图时采用的是MapMatrix全数字摄影测量工作站，根据《国家基本比例尺地图图式第1部分：1∶500 1∶1 000 1∶2 000 地形图图式》（GB/T 20257.1—2017）、《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形图航空摄影测量数字化测图规范》（GB/T 15967—2008）中的要求来采集地物、地貌要素。总体原则如下：数据采集按内业定位、外业定性的原则进行。采集数据时应保证数据的完整性，对应该闭合的地物要闭合采集，临近地物应尽量采集，测图时应测出内图廓线外5 mm；要准确判断出轮廓内采集的信息元素，用位点直接绘出可判断的地貌地物，先测量地物外围边线，再采集内部地貌地物构成的封闭图形，不得变形、缺失和移位；当地物轮廓部分遮盖时，应标注记号予以说明，留待外业补测处理。要准确判读相片上影像的信息，并精确地测绘在图上。生成的DLG产品如图4所示。

3 工程应用

3.1 工程概况

信阳市大别山脉南侧明港至鸡公山高速公路全长约为100 km，地势起伏较大，地形复杂。项目勘测设计时间紧迫，且周围植被环境复杂，勘测工作难度大。为了保证项目工程进度及数据采集精度要求，采用机载激光扫描技术对该路线进行数据采集及处理。

3.2 数据采集及处理

由于高速公路的测区范围较大，采用SZT-R1000长测程高精度移动测量系统采集点云数据。在有人直升机上搭载SZT-R1000移动测量系统，该系统集成了IMU、GPS、激光雷达设备和工业相机设备，一次飞行可同时获得高分辨率影像數据和高精度地面点云数据。该方法具有以下优势：激光雷达可有效通过植被缝隙穿透植被，测量地面点，获取植被下方地面高程信息，高程精度可靠；影像数据无须进行像控测量，能实现真正的免像控测量。

用高精度徕卡GPS接收机架设地面基站，进行数据采集。外业航飞结束后要及时对数据进行检查，在航飞数据符合要求后，对点云数据进行处理，进而获得DTM、DOM、DLG等数字产品。分类完成后的点云数据如图5所示。

3.3 点云数据精度分析

根据规范要求，在测区范围内随机采集了178个高程点进行检核，并与点云数据进行对比，经过统计分析计算，机载三维激光扫描点云高程的中误差为0.15 m，满足精度要求，点云数据精度分析详见表1。

3.4 成果应用

通过机载三维激光扫描点云数据和图像数据获得的DOM、 DTM、DLG，可直接应用于公路勘测设计中，高精度DTM可精确地计算出线路填挖方数据。在地形复杂、植被密集的地区，生成的DTM数据也能很好地表达。因此，在山地公路的设计过程中，可根据规定的中心桩距，自动将DTM数据生成截面数据。这样既降低了山区野外测量的复杂度，又大大缩短了施工周期。

4 结语

三维激光扫描测量系统具有高效、精准的优势，将该方法应用于公路地形测量中是一个很好的选择。三维激光扫描测量技术的广泛应用在很大程度上促进了测量工作，使测量工作得以顺利开展，采集的相关测量数据也逐渐完善。但三维激光扫描系统在进行测量制作成图过程当中，需要依靠GPS、全站仪等测量仪器设备，才能精准获得各个测站的坐标信息数据。在这一测量过程中，需要提高测站定位的精度、明确目标地物的反射面结果及减少外界环境的干扰，只有保证地形测量中成图的质量，才能确保测量数据的精确性。

本研究提出将机载三维激光扫描技术应用于公路地形测量中，基于点云数据处理及影像产品制作的技术流程，大大缩短了公路勘测项目的工期，提高了测图作业的效率，在地形复杂地区获取数据，准确度上也有了很大的改进。机载三维激光扫描技术在公路测绘设计中将起到重要作用。

参考文献：

［1］张丽军，潘家伟，曹志勇.基于机载激光雷达技术的山区高速公路勘测设计方案探究［J］.公路工程，2018（6）：169-173.

［2］王涛.机载激光雷达技术在山区公路勘察设计中的应用［J］.西部交通科技，2018（4）：38-42.

［3］张煜，窦延娟，张晓东.机载激光雷达数据采集及数据处理［J］.长江科学院院报，2010（1）：13-16，21.

［4］周万坚.机载激光雷达测绘技术浅析［J］.科技致富向导，2013（19）：20，22.

［5］吴耀，龚珺.基于激光扫描技术的三维模型重建［J］.科技信息，2013（3）：102-103.