機載三維激光掃描技術在公路地形測量中的應用研究

王文才 李治

摘 要：【目的】隨著技術的不斷更新發展，傳統測量方法已無法滿足公路地形測量的需求。三維激光掃描測量技術的應用使數據采集方法、處理方法及服務能力和水平均得到提高，因此，可以將三維激光掃描測量技術應用于公路地形測量中，從而提高測量效率?！痉椒ā繉C載三維激光掃描技術在公路地形測量中的數據掃描獲取過程及后續數據的預處理、數學建模和繪制地形圖中的應用進行研究，并結合平原區G310鄭州境改擴建工程、山區沿大別山明港至雞公山高速公路兩個項目，對使用三維激光掃描地形得到的點云數據進行處理與分析，繪制出道路沿線1∶2 000帶狀地形圖，并進行檢查分析?！窘Y果】試驗結果表明，機載三維激光掃描技術在公路地形測量中的應用取得了預期效果?！窘Y論】通過機載三維激光掃描技術點云數據和圖像數據獲得的DOM、DTM、DLG產品精度滿足要求，可直接應用于公路勘測設計。

關鍵詞：機載三維激光掃描技術；點云數據；數據處理；公路地形測量；檢查分析

中圖分類號：P901? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：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

隨著我國公路建設的發展，建設重點逐步從東部地區向中西部地區轉移、從平原微山區向復雜的山區及丘陵區轉移。與此同時，隨著社會經濟的快速發展，道路交通量也急劇增加，加快重要交通走廊的改造和擴建，提高道路的通行能力已迫在眉睫。如何高效迅速、安全準確地獲取現場地形數據，為道路改造和擴建提供準確、完整、豐富的數據信息支持，已成為公路勘測和建設中的一個重要問題。

近年來，機載激光雷達技術在高速公路勘測設計中的應用越來越多，也取得了較好的成果和社會效益［1-2］。三維激光掃描測量法采用非接觸測量方式來直接測取高精度三維空間數據，能對所有地物進行掃描測量，且不分白天和黑夜，可以快速將現實世界的信息轉換為空間三維數據。該方法克服了傳統測量作業方式的局限性，將其應用到公路地形測量中，能大大提高測量作業的效率。本研究通過將機載三維激光掃描技術應用于公路地形測量中，提出了一種快捷、高效的技術流程，并在沿大別山明港至雞公山高速公路的地形測量中驗證了其可行性及測量精度。

1 機載三維激光掃描技術

機載激光雷達是一種主動式的對地觀測系統，能直接獲取高精度三維空間數據和數字信息模型，其集成了激光測距技術、全球定位系統及慣性導航系統，具有傳統攝影測量方法無法取代的優越性［3］。機載激光掃描測量技術采用光學遙感技術進行波段檢測，可有效獲取特征反射能量的大小及地面物體反射光譜的幅度、頻率和相位，能及時處理數據，并定位處理后的數據，從而實現對物體目標的準確測量與識別［4］。

三維激光掃描儀是一種自動快速測量系統，通過將角度測量系統與激光測距儀相結合，可快速掃描和測量復雜的場景與空間物體，直接獲得激光光斑所接觸的地面物體表面的天頂距離、傾斜范圍、水平方向和反射強度，進而自動存儲并計算來獲得點云數據。三維激光掃描儀測量距離最長可達數公里，掃描頻率可達到每秒數十萬次，水平方向可圍繞儀器的垂直軸掃描360°整圈，垂直掃描角θ接近于90°，而且通過TCP / IP協議可將掃描獲得的數據傳輸到計算機。同時，外部數碼相機拍攝的場景圖像也可通過USB數據線并行傳輸到計算機。使用專業軟件處理點云數據，并結合CAD軟件，可快速重建被測對象的3D模型和各種所需的繪圖數據，如線、面和空間［5］。

2 機載三維激光掃描技術在公路地形測量中應用的技術流程

機載三維激光掃描技術在工程中的應用步驟包括前期準備、外業航飛、數據處理、產品制作等。

2.1 前期準備

在項目工程開始前，需要先收集相關測區資料，明確測區范圍，然后根據測區范圍申請空域。航飛前，要先設計作業計劃，包括設備選型、航線設計（飛行高度、速度、航帶重疊度）、地面基站選址等。

2.2 外業航飛

在項目準備階段開始時，按常規覆蓋來布設航線，保證航向重疊度60%、旁向重疊度30%。SZT-R1000移動測量系統采用先進的定點自動曝光控制技術，能完全保證相片航向的重疊度要求。飛機航高控制可參照飛機氣壓高度表，攝影員通過航攝操作儀OC62來控制進線和飛行高度偏差。根據設計要求，同一航線上最大飛行高度與最小飛行高度的差值不應大于50 m，相鄰相片的飛行高度差值不應大于30 m。測區范圍內設計飛行高度與實際飛行高度差值不應大于設計航高的5%～10%，接近臨界值時應要求飛行員對飛機航高進行修正。SZT-R1000攜帶的導航儀OC60集成了配套導航軟件，可指導飛行員按照設計航線飛行。GPS導航系統能直觀顯示航跡偏差，可將漂移減至最小。使用激光時無須考慮太陽光照情況，但因測區仍需影像成果，所以為避免航攝像片上的陰影過大，要求太陽高度角應大于20°。

外業航飛完成后，應及時對飛行數據質量和完整性進行檢查，數據質量檢查包括點云數據密度、原始圖像質量、飛行航高及重疊度是否滿足要求，數據完整性包括點云數據、圖像數據是否符合要求。若不滿足合規范要求，則需要再次進行外業航飛。

2.3 機載三維激光掃描數據處理

2.3.1 數據預處理。機載三維激光掃描數據預處理過程如下：首先，對航飛數據進行POS解算，得到PosT文件，從而獲得載體的姿態及位置信息；其次，對解算后的數據進行激光處理，并對原始數據進行解碼；最后，根據用戶需求，對數據進行坐標轉換，獲取WGS-84坐標系下的點云坐標。

2.3.2 點云數據分類。采用Terrasolid數據處理軟件對機載三維激光掃描點云進行分類處理，主要過程如下：明確測區范圍、分塊處理點云；采用濾波算法批量進行分類、去除噪點；人工對點云數據再次進行分類。

2.4 產品制作

在將機載三維激光掃描數據處理后，根據需要可制作出DTM（數字地面模型）、DOM（正射影像圖）、DLG（數字線劃圖）等工程中所需的數字產品，產品生產流程如圖1所示。

2.4.1 數字地面模型（DTM）制作。首先，對校正后的三維激光點云進行分類，生成地面點和非地面點。其次，根據分類后的地面點數據可獲得末次回波的點云數據。最后，對處理后的數據進行格網化、去除噪點、內插等操作，獲得數字表面模型。在此基礎上，采用外業實測和內業航測的方法來采集地物地形的特征點線，從而生成滿足設計要求的數字表面模型?；诩す饫走_地面點云生成的DTM產品如圖2所示。

2.4.2 正射影像圖（DOM）制作?；诳杖用艹晒皵底指叱棠Ｐ?，采用德國INPHO數字攝影測量軟件的數字微分糾正模塊，設置地面分辨率為0.2 m，對原始影像進行嚴格正射糾正，生成相對應的單張正射影像。采用德國INPHO數字攝影測量軟件或俄羅斯PHOTOMOD數字攝影測量軟件中的影像鑲嵌模塊，使整個區域上千張單張數字正射影像無須進行任何細分處理就可直接鑲嵌。首先，使用機載三維激光掃描處理工具軟件對影像進行裁切，從而生成圖幅結合圖。其次，使用Photoshop等圖像處理軟件對局部變形的地物進行修補。最后，獲得高質量的正射影像圖。 DOM產品如圖3所示。

2.4.3 數字線劃圖（DLG）制作。通過機載LiDAR 航攝獲得點云和影像數據，采用LiDAR數據處理軟件TerraSolid對原始點云進行去噪和分類處理，獲得高精度地面點。根據地面點來生成數字高程模型DEM，并結合高精度POS 信息、航飛影像和地面點來制作正射影像DOM。根據飛影像和像控點進行空中三角測量，恢復立體，進行地物及部分地貌數據采集，根據激光雷達地面點云進行高程點及等高線等地貌數據的生成。內業測圖時采用的是MapMatrix全數字攝影測量工作站，根據《國家基本比例尺地圖圖式第1部分：1∶500 1∶1 000 1∶2 000 地形圖圖式》（GB/T 20257.1—2017）、《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖航空攝影測量數字化測圖規范》（GB/T 15967—2008）中的要求來采集地物、地貌要素?？傮w原則如下：數據采集按內業定位、外業定性的原則進行。采集數據時應保證數據的完整性，對應該閉合的地物要閉合采集，臨近地物應盡量采集，測圖時應測出內圖廓線外5 mm；要準確判斷出輪廓內采集的信息元素，用位點直接繪出可判斷的地貌地物，先測量地物外圍邊線，再采集內部地貌地物構成的封閉圖形，不得變形、缺失和移位；當地物輪廓部分遮蓋時，應標注記號予以說明，留待外業補測處理。要準確判讀相片上影像的信息，并精確地測繪在圖上。生成的DLG產品如圖4所示。

3 工程應用

3.1 工程概況

信陽市大別山脈南側明港至雞公山高速公路全長約為100 km，地勢起伏較大，地形復雜。項目勘測設計時間緊迫，且周圍植被環境復雜，勘測工作難度大。為了保證項目工程進度及數據采集精度要求，采用機載激光掃描技術對該路線進行數據采集及處理。

3.2 數據采集及處理

由于高速公路的測區范圍較大，采用SZT-R1000長測程高精度移動測量系統采集點云數據。在有人直升機上搭載SZT-R1000移動測量系統，該系統集成了IMU、GPS、激光雷達設備和工業相機設備，一次飛行可同時獲得高分辨率影像數據和高精度地面點云數據。該方法具有以下優勢：激光雷達可有效通過植被縫隙穿透植被，測量地面點，獲取植被下方地面高程信息，高程精度可靠；影像數據無須進行像控測量，能實現真正的免像控測量。

用高精度徠卡GPS接收機架設地面基站，進行數據采集。外業航飛結束后要及時對數據進行檢查，在航飛數據符合要求后，對點云數據進行處理，進而獲得DTM、DOM、DLG等數字產品。分類完成后的點云數據如圖5所示。

3.3 點云數據精度分析

根據規范要求，在測區范圍內隨機采集了178個高程點進行檢核，并與點云數據進行對比，經過統計分析計算，機載三維激光掃描點云高程的中誤差為0.15 m，滿足精度要求，點云數據精度分析詳見表1。

3.4 成果應用

通過機載三維激光掃描點云數據和圖像數據獲得的DOM、 DTM、DLG，可直接應用于公路勘測設計中，高精度DTM可精確地計算出線路填挖方數據。在地形復雜、植被密集的地區，生成的DTM數據也能很好地表達。因此，在山地公路的設計過程中，可根據規定的中心樁距，自動將DTM數據生成截面數據。這樣既降低了山區野外測量的復雜度，又大大縮短了施工周期。

4 結語

三維激光掃描測量系統具有高效、精準的優勢，將該方法應用于公路地形測量中是一個很好的選擇。三維激光掃描測量技術的廣泛應用在很大程度上促進了測量工作，使測量工作得以順利開展，采集的相關測量數據也逐漸完善。但三維激光掃描系統在進行測量制作成圖過程當中，需要依靠GPS、全站儀等測量儀器設備，才能精準獲得各個測站的坐標信息數據。在這一測量過程中，需要提高測站定位的精度、明確目標地物的反射面結果及減少外界環境的干擾，只有保證地形測量中成圖的質量，才能確保測量數據的精確性。

本研究提出將機載三維激光掃描技術應用于公路地形測量中，基于點云數據處理及影像產品制作的技術流程，大大縮短了公路勘測項目的工期，提高了測圖作業的效率，在地形復雜地區獲取數據，準確度上也有了很大的改進。機載三維激光掃描技術在公路測繪設計中將起到重要作用。

參考文獻：

［1］張麗軍，潘家偉，曹志勇.基于機載激光雷達技術的山區高速公路勘測設計方案探究［J］.公路工程，2018（6）：169-173.

［2］王濤.機載激光雷達技術在山區公路勘察設計中的應用［J］.西部交通科技，2018（4）：38-42.

［3］張煜，竇延娟，張曉東.機載激光雷達數據采集及數據處理［J］.長江科學院院報，2010（1）：13-16，21.

［4］周萬堅.機載激光雷達測繪技術淺析［J］.科技致富向導，2013（19）：20，22.

［5］吳耀，龔珺.基于激光掃描技術的三維模型重建［J］.科技信息，2013（3）：102-103.