现代测绘技术在公路工程勘测设计中的应用分析

2024-04-30刘士远

工程建设与设计 2024年5期

刘士远

（黑龙江省交通规划设计研究院集团有限公司，哈尔滨 150080）

1 引言

互联网络、信息技术、智能技术的发展，有效推动了现代测绘技术的创新与发展。以往在进行工程勘测设计时，主要采用人力“跑图”方式开展测绘工作，整体效率低下，还很容易引起各种安全事故。同时在获得测绘数据后，同样需要进行海量的计算分析，计算结果很容易受人为误差的影响，不利于测绘工作质量水平的提升，因此，加强现代测绘技术的应用有着十分重要的现实意义。

2 现代测绘技术的发展

伴随着现代测绘技术的发展，测绘作业开展方面出现了很大的变化。比如，在现代测绘技术中，涌现了很多数字化、信息化测绘技术，比较典型的包括“3S”测绘技术。除此之外，还出现了无人机激光扫描测量技术、无人机倾斜摄影测量技术等。上述这些技术的存在，打破了传统测绘技术受客观地形、水文环境等条件的限制，能够在空中实现对工程内容的测量，在显著提升了测量效率的同时，更有利于保障工程项目勘测设计质量。

对无人机激光扫描测量技术而言，该项技术通过无人机+激光测距+高清同轴相机，可以在控制完整地记录测量被目标对象表面反射点的坐标、反射率、色彩和纹理等信息，最终可以形成三维点云，能够快速实现测量对象目标的三维重现。并且与传统测绘技术如钢尺量距、全站仪等相比，无人机激光扫描测量技术的存在，可以显著提升测量效率。同时通过该项测绘技术可以精准地获取被测物体的高精度点云和高分辨率色彩，因此，可以更好地满足被测物体几何结构和纹理信息采集的需求。基于获得的测绘信息，可快速完成结构复杂、不规则的场景的三维可视化模型的构建，便于工程测绘人员获取更全面的信息。在后续进行测绘数据处理方面，也可以利用相关先进的数据处理软件对测绘数据进行批量处理，有效减轻后续“内业”测绘数据处理工作量，这对公路工程测绘效率提升也有着较为积极的影响意义。最后，工程测绘人员还可以运用无人机激光扫描测量技术，获得一些分辨率较高的公路工程航空图像信息，随后利用这些图像数据，完成公路工程数字工程建模与线路规划图的制作，有效提升公路工程勘测质量水平。

对无人机倾斜摄影测量技术而言，传统无人机航空摄影测绘通常只能够从垂直角度出发，完成对地物对象的拍摄测绘，获取测绘数据的角度、方式比较单一。而对无人机倾斜摄影技术而言，由于在无人机上搭载了多个摄像头以及传感器，因此，可以从垂直角度、侧视角度等多角度完成对地物对象的测绘数据的获取。将该技术应用于公路工程勘察设计中，可以有效确保获取相关测绘数据的准确性与完整性。在获得相关的测绘数据成果后，测绘人员可以从相应模型出发，抽取各种格式的测绘辅助数据，如DEM 数据、DSM 数据、DOM 数据等。不仅如此，围绕所获得的测绘数据成果，可以从中导出高密度点云与图像，这些信息与原始数据有着非常高的匹配度，从而为公路工程勘测设计工作开展提供非常重要的帮助[1]。比如，结合具体的点云与图像信息，勘测人员可以对现场复杂的地形有全面的了解与认识。除了可以独立运用倾斜摄影测绘数据成果以外，还可以将该测绘成果与其他技术组合运用，如可以与遥感技术进行组合运用，测绘人员可以直接从云端平台获得公路工程测绘区域的图像信息，从而为工程勘测设计工作开展提供良好的帮助。

总之，在上述现代测绘技术的帮助下，可以实现公路工程勘测设计泛在测绘工作的开展。即上述一系列先进的现代测绘技术的应用，减少了测绘作业对相关专业理论知识的依赖，相关人员可以在规范的操作程序指导下，不需要了解内部测量技术原理，也可以保质保量地完成测绘作业工作，获得更高精度的测绘数据信息，为公路工程勘测设计以及后续的建设提供充足的数据信息支持。

3 公路工程勘测设计现状分析

从公路工程勘测设计现状来看，一些勘测人员依然在采用传统的测绘技术，如GPS-RTK 测量、水准测量、全站仪测量等方式。上述测绘技术的应用，需要测绘人员负责完成大量的测绘外业工作，不仅很容易受到客观地形因素的影响，导致整体测绘工作开展效率低下，还很容易出现摔伤等安全事故，且因为客观地形限制，一些测量区域无法抵达，导致获得的数据信息不完整，这必然会影响公路工程勘测设计质量水平。为改善上述限制，应加强对无人机激光扫描测量技术的应用，从而不再受限于地形水文条件，可以获得更全面的测绘信息，并根据设计要求，全面了解测绘区域地形图、公路横纵断面等信息。基于此，针对现代测绘技术在公路勘测设计中的应用，本文以无人机激光扫描测量技术应用为例，阐述现代测绘技术在公路工程勘测设计中的应用，最终获得的测绘成果不仅可以满足公路工程勘测设计的需求，还能够用于公路工程路线方案设计的对比与优化。

4 现代测绘技术在公路工程勘测设计中的应用

4.1 无人机激光扫描测量系统技术参数选择

无人机激光扫描测量系统，集成了诸多系统技术内容，除包括激光测距系统技术以外，还包括GNSS 差分定位系统、INS 姿态测量系统等，最终目的是获得精度更高的测绘数据信息。为了实现这一目标，做好无人机激光扫描测量系统技术参数的选择非常重要。在这一过程中，应注重做好各种精度指标的分析，从而确保最终获得的激光点云有着较高的精度。事实上导致无人机激光扫描测量系统测量误差的因素有很多，如激光测距不准确，扫描角度不合理，GNSS 定位不准确，IMU姿态测量不合理等。因此，在具体应用无人机激光扫描测量技术前，必须要明确相关的误差要求，才能消除上述误差因素影响。通常而言，要求激光测距误差在5 cm 以内。在实践中，扫描角误差可以忽略不计，但GNSS 定位必须要准确，要求定位平面精度误差不得超过5 cm，高程定位精度误差不得超过10 cm。在IMU 姿态测量误差控制方面，则需要对整个系统进行校验，做好误差补偿工作。具体而言，随着无人机行航高的增加，姿态角的误差对激光点坐标定位带来的影响也会越大，并且与高程误差相比，对平面误差带来的影响更大[2]。同时在航高不变的情况下，伴随着扫描角度的增加，IMU 测角误差对激光点航向定位和高程带来的影响也会随之变大。同时扫描角度的变化不会对方向定位精度带来误差影响。基于此，在应用无人机激光扫描测量系统时，要求侧滚、俯仰角测量精度技术参数应在0.010°以上，航偏角测量精度技术参数不低于0.015°。此外，在进行无人机激光扫描测量系统技术参数选择时，还应关注脉冲重复频率这一技术参数，要求该数值尽可能提升，如此可以有效确保最终获得的测绘激光点云密度更大，测绘信息更详细。

4.2 无人机激光扫描测量系统数据获取与CAD协同设计

从现实情况来看，采用无人机激光扫描测量系统进行公路工程勘测设计作业时，实际有效飞行作业距离相对较短。因此，在实际应用的过程中，需要选择分区飞行的方式，获取更加全面的数据。与此同时，为了防止无人机在飞行时发生事故，要求加强无人机跨线飞行距离控制。一般不得超过1 km。无人机每次作业飞行时间不得超过20 min。无人机的航线总长度应小于7 km。结合公路工程勘测区实际情况，预先完成无人机起降飞行场地的选择。要求选择的场地地形平坦，视野开阔，不存在高功率信号的干扰。同时还应考虑实际的天气情况，选择在晴天、无云、风力较小的时间段开展测量工作。在无人机正式起飞前，还应注意检查飞机电池是否满电、遥控器是否操作正常、控制平板电脑设备是否运行正常，从而确保整个设备状态完好。在确认一切状况良好后，无人机正式开始起飞。为了获得较高的地面反射点云密度，应将无人机激光脉冲频率设置为最大值。

在完成无人机激光扫描测量系统数据获取后，还需要对数据进行预处理。在这一过程中，需要将GNSS、IMU 等数据进行融合，然后再进行计算分析，可以获得航线位置以及姿态信息。在此基础上，还需要结合测距信息，最终可以获得原始的公路工程勘测区域激光点云信息。针对这些激光点云信息，还需要采取一系列后续处理措施，如需要对数据进行去噪、滤波、坐标转换等处理，才能获得可用的、密集的地面点云信息。最后，还需要利用专业的软件，将上述点云信息转化为实用的数字正射影像图（DOM）、数字线划地形图（DLG）等，用于满足公路工程勘测设计要求。比如，公路勘测设计人员可以将上述测绘数据信息融入CAD 系统之中，以此来实现对公路平面、横断面设计，做好不同路线规划方案的优化与比选，以此来实现无人机激光扫描测量系统与CAD 的协同设计。

4.3 无人机激光扫描测量系统应用实践效果

4.3.1 工程项目概况

为了检验无人机激光扫描测量系统在公路工程勘测设计中的应用效果，本文结合某公路工程项目进行分析。鹤岗至哈尔滨高速公路是《国家高速公路网规划》中“纵一线”的联络线，路线全长468 km，途经鹤岗、伊春、铁力、绥化、哈尔滨，连接了多条国省干线公路，形成了显著的网络效应。其中伊春至哈尔滨段已建成通车，当前仅鹤岗至伊春段尚未建成，现对鹤岗至伊春段高速公路建设工程进行勘测设计。

4.3.2 无人机激光扫描测量应用

在本项目中，采用了旋翼无人机设备，用于激光扫描测绘。其中测距精度控制在15 mm，最大有效点频10×105点/s。在位置精度方面，平面精度为10 mm，高程20 mm。俯仰、翻角标称测量精度为0.005°。航偏角为0.013°。该勘测区域以带状地形为主，不仅有着较大的长度，同时宽度数值较小。因此，在采用无人机激光扫描测绘时，只需要往返一条航带便可以完成测绘作业工作。在测绘数据采集方面，可以选择设计线位中线两侧各约150 m 范围内的数据。在航线规划方面，综合考虑多种因素，本次无人机起飞分为2 个架次，每个架次约5～6 km，设置了一个起飞场。在相对航高处于135 m 时，能确保航线下方最低处的点云密度在35 个/m2以上。影像地面分辨率为0.1 m。在地面基站建设方面，本项目采用了双站模式，在测区内，选择了2 个首级控制点，通过双频接收机完成地面基站的架设。

4.3.3 应用效果评价

为了对本次测绘获得的激光点云精度进行评价。沿着整个测区，布置2 516 个高程检查点。在这一过程中，搭配了GPS-RTK 测量方法，完成其平面和高程坐标的测量。从本项目测绘结果来看，激光点云与实测检查点有着非常高的吻合度，证明激光点云有着较强的精度[3]。同时为了对获得的激光点云进行量化评价。通过本项目设置的2 516 个检查点，确定其实测高程，然后与激光点云内插高程进行对比，最终结果表明，最大高程误差0.371 m，最小高程误差－0.323 m，中误差0.120 m，误差均值为－0.040 m。说明本次激光点云有着良好的精度，表明应用无人机激光扫描测量效果良好，可以高效生成设计人员所需的道路横断面数据，用于公路工程路线方案设计与优化。