激光雷達測繪技術在工程測繪中的應用

張金福

（中建材礦業投資江蘇有限公司，南京 210000）

1 引言

當前，激光雷達測繪技術飛速發展，國內外相關學者對激光雷達測量技術進行了深入研究。20 世紀80 年代，國外已將該技術與實際測量設備有效結合，實現了對地表、大氣及海洋環境相關參數的測量。我國對激光雷達測繪技術的研究起步較晚，在現有測量技術基礎方面較薄弱，盡管已經有部分工程應用了該測繪技術，但在測繪精準度方面與國外仍存在一定差距。

2 激光雷達技術概述

激光雷達測繪技術主要依據激光雷達系統發揮作用，該系統主要由激光測距掃描系統、慣性導航系統、動態GPS 接收系統、數碼相機、同步控制裝置以及遙感平臺構成。作業過程中，系統測繪存在距離偏差與角度偏差，應用激光雷達測繪技術需對可能存在的偏差情況進行檢校[2]。

獲取基于工程現場的測繪數據后，可直接發揮激光雷達系統的作用對相關測繪數據進行處理。測繪工作得到的原始數據成果通常包括每次脈沖測距值、瞬時掃描角、GPS 觀測值、地面站GPS 觀測值、慣導IMU 姿態值及同步航空影響等。由激光雷達系統對以上數據進行處理，應首先對GPS 觀測值及地面站GPS 觀測值以同步差分的方式進行處理，計算每個激光回波腳點的三維坐標，在得到原始激光點云成果后，需充分考慮技術應用誤差，對誤差進行檢校和平差處理。

通過濾波分類處理方式去除原始航空影像的噪點，將影像中的地面點與非地面點分離[3]。在完成分類處理后，可得到應用激光雷達獲得的直接測繪數據成果。在此基礎上，通過點云進行柵格化內插，對航空影像進行定向處理，與人工提取地物相結合，獲得理想的數字線劃地圖（Digital Line Graphic，DLG）成果（見圖2）。

圖2 激光雷達數據處理流程

3 激光雷達測繪技術應用

3.1 項目概況

為實現對激光雷達測繪技術實際應用情況的分析，在充分考慮地形地勢環境對工程現場影響的情況下，選擇西南地區大渡河項目作為測繪技術應用研究的主要對象。該地區的工程項目的測繪結果常由于高山地形的影響而準確性不夠。

大渡河項目為西部水利樞紐工程，項目所在區域呈山高坡陡、河谷狹窄、植被茂密等典型水電測繪項目特征。在西部地區，激光雷達設備分型的一般相對航高為2 500 m，甚至可達3 500 m。例如，當測區河床海拔為1 650 m 時，測區側向2 km 的高山最高點距離約4 300 m。按照民航飛行相關規定，如果保證500 m 的安全飛行高度，實際飛行高度需達4 800 m以上，相對航高達3 150 m。這對激光雷達測繪技術應用提出了更高的要求。在坡度較大情況下，激光測繪數據的精度會受西部地區地形及氣象條件的影響。復雜氣候變化及常年較低氣壓均會對最終測繪數據產生影響[1]。

3.2 工程設計與建設可視化

將激光雷達測繪技術應用于大渡河項目中，可滿足工程設計與建設可視化要求。

1）將激光雷達測繪技術與電子信息系統和軟件相結合，構建三維可視化平臺，并將工程現場施工情況及進度展現在三維場景中，可為合理安排施工順序提供科學依據。

2）應用激光雷達測繪技術還能實現對地下工程的管理。大渡河項目為典型的水電站地下系統，可利用激光雷達測繪技術對泄洪洞、引水系統、地下廠房及導流洞等建設信息進行瀏覽和匯總，呈現更真實準確的工程地下部分的三維效果圖，以及營地、料場、渣場等部分的細節信息。

具體而言，應用激光雷達測繪技術能夠依據激光點云數據提升數據的密度和精度，由點云實現對地面植物以及建筑物、地形環境的統一分類，再以構建三角網的方式得到數字高程模型，再由數字攝影測量系統獲得的檢測數據，應用激光雷達技術對檢測數據進行處理，從而獲得更精確的數據信息以及三維坐標，能夠提升影像的清晰度和精確度，以及測繪技術的應用效果。

在工程設計階段，也可以應用激光雷達測繪技術構建數字信息模型，借助激光雷達設備，在計算機系統中構建電子沙盤，在實現工程現場相關數據信息的收集、儲存、調用與維護，得到所需的高程、坡度、線路全長測量數據信息，可以以此為依據構建三維虛擬地面模型，進而借助模型提取建筑物的頂面信息。然后基于系統軟件實現對建筑物模型和地面模型的分層組合建模，以匹配融合的方式對工程建筑物的質量進行檢測和評價。在此基礎上，也可以將數字相機以及其他類型的傳感設備與激光雷達應用平臺聯系起來，對工程現場電力傳輸進行有效測量和檢查。

3.3 精密工程測量

3.3.1 精密測量結果

大渡河項目的相對航高為2 900 m，應用激光雷達測繪技術，采用50 kHz 的發射頻率獲取點間距為2 m 的點云數據和地面分辨率為22 cm 的數碼影像。在實際測繪中，該項目應用無人機（內含激光雷達設備）共飛行3 個架次，測繪范圍包括4個分區61 條航線，數據覆蓋面積達800 km2。項目應用激光雷達測繪技術時選取24 個規則建筑物角點，在明確激光數據平面誤差為0.527 m 的前提下，結合得到的平面點位誤差分布情況，得到項目平面高程精度的統計結果（見表1）。

表1 大渡河項目平面高程精度統計結果m

將表1 中得到的數據與GB/T 14912—2017《1：500 1：1 000 1：2 000 外業數字測圖規程》中的標準進行對比，考慮在1：2 000平面位置中的誤差限差為0.60 m，困難地區的誤差限差為0.90 m，高程精度限差為0.66 m，可以驗證該項目的激光平面精度符合工程測繪的設計要求。

3.3.2 激光測繪誤差檢測原理

激光測繪誤差系統由多個模塊組成，每個模塊在實際觀測中均存在一定的系統誤差。通常情況下，系統誤差分為定位誤差、測角誤差、測距誤差以及系統集成誤差。

測距誤差具體包括系統誤差和隨機誤差2 種類型。在設定系統誤差部分為Δp的情況下，可以得到如下公式：

式中，θi為瞬時掃描角；ex、ey、ez代表e位置在x、y、z軸上的坐標值。

在激光雷達掃描的直角坐標系中，測距誤差對飛機的前進方向分量不產生影響，主要在高程方向產生誤差（見表2）。

表2 10 cm 測距誤差引起的e 位置誤差

在測角誤差中，對工程測繪效果影響較明顯的為瞬時掃描角誤差。激光掃描電機的非勻速旋轉和掃描鏡的振動均會導致掃描角誤差。為了對橫軸方向造成的差異與掃描角之間的關系進行分析，以計算旋轉矩陣的方式，得到更精確的誤差結果?；诖?，引入由于掃描瞬時誤差引起的旋轉矩陣ΔRL，可基于以下公式計算旋轉矩陣：

式中，Δk、Δφ為設備掃描線在橫縱坐標相反方向的隨機角度偏差值，屬于偶然誤差；Δ?為掃描方向縱軸的隨機角度偏差，屬于零點誤差。

在定位誤差中，考慮動態差分GPS 的定位誤差也會對激光腳點精度產生影響，故應從衛星軌道運轉、接收機鐘差、衛星鐘差、多路徑效應等角度對誤差大小進行具體分析?？紤]到項目地形地勢環境特點，地面基站點位的觀測條件及航飛時機均對GPS 解算產生影響，因而在實際測繪中，應在航帶平差時及時修正各航帶的平面位置和高程。

在系統集成誤差部分，應重點考慮時間同步誤差、內插誤差及坐標轉換誤差對測繪結果精準度的影響。以時間同步誤差為例，由于激光雷達測繪系統中的GPS 接收機、IMU、激光掃描儀等設備均以獨立方式進行工作，以確定激光腳點坐標為目的，確保激光脈沖發射時的位置、姿態及測距測角值為同一時刻下的觀測值。在設備飛行不穩的情況下易產生時間偏差，影響激光點的精度。

3.3.3 誤差檢測結果分析

考慮激光測繪技術應用過程中會產生精度誤差，該工程在獲得相應測繪數據后，以檢驗高程精度的結果為主要目的，對分類后得到的激光點云數據形成的地面模型與實測的高程點進行誤差統計，在有植被、農作物及河谷兩側的山坡上，基于同一坐標系統對實測值和激光數據進行檢查，獲得的統計誤差結果為0.332 m。

考慮該檢測誤差結果包含坐標轉換誤差及平面誤差，對硬質裸露地面的高程點進行檢查，發現這些檢查點未被其他系統誤差影響，得到的中誤差數據為0.095 m。將該結果與GB/T 14912—2017《1：500 1：1 000 1：2 000 外業數字測圖規程》中的標準進行對比，發現實際測得的標準明顯低于相應比例尺地形圖基本等高距的1/3。在比例尺為1：2 000 的情況下，標準高程精度為0.67 m，可以證實應用該激光雷達測繪技術符合工程實際的設計要求。

4 結語

綜上所述，在工程測繪中應用激光雷達測繪技術能有效提升工程測繪的精準度和檢測效率。在充分考慮工程項目現場實際環境條件基礎上，應用激光雷達測繪技術應明確激光雷達測繪技術的應用原理，積極探索將激光雷達與先進科學技術有效融合的途徑和方法，在滿足工程測繪基本要求的同時加強工程質量管理與控制，在確保測繪數據結構真實性和準確性的前提下，推動工程測繪的數字化建設，進一步提升工程建設效果。