鄧清福

摘 要 機載激光雷達技術(shù)為空間測量技術(shù)，將激光掃描技術(shù)、GNSS技術(shù)、INS技術(shù)、攝影測量技術(shù)進行有效融合，通過將其應(yīng)用于工程測量中，不僅測量效率高，而且可保證測量精度。對此，本文首先對機載激光雷達技術(shù)的應(yīng)用流程進行介紹，然后以某高速公路工程項目為研究對象，對機載激光雷達技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用方式進行深入研究。

關(guān)鍵詞 機載激光雷達技術(shù);流程;工程測量

引言

現(xiàn)如今，我國交通事業(yè)發(fā)展迅速，公路工程項目建設(shè)數(shù)量和規(guī)模均不斷增加。有些公路工程項目建設(shè)區(qū)域地形復(fù)雜，為保證施工的順利進行，要求做好施工前勘察設(shè)計中的測量工作，為工程項目設(shè)計提供可靠依據(jù)。傳統(tǒng)的地形圖分析方式無法準確描繪復(fù)雜的地形地勢條件，對此，可利用激光探測與測量技術(shù)（LiDAR），保證測量精度。因此，對機載激光雷達技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用進行深入研究意義重大。

1 機載激光雷達技術(shù)概述

1.1 機載LiDAR系統(tǒng)工作流程

在機載激光雷達技術(shù)的應(yīng)用中，在飛行器上可安裝LIDAR、GNSS以及IMU，機載LiDAR系統(tǒng)可發(fā)射受控激光，當激光照射至測量目標后，即可獲得測量目標的三維坐標數(shù)據(jù)信息，通過利用系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，即可將工程項目測量資料與植被、地表的測量資料相分離，進而獲得數(shù)字地形模型以及數(shù)字表面模型。機載LiDAR系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)獲取流程

LiDAR數(shù)據(jù)指的是從采集目標體所反射回的激光束信號，在激光束的反射過程中，可能會經(jīng)過多次翻身，因此，LiDAR會獲得大量的數(shù)據(jù)點。在機載激光雷達技術(shù)的應(yīng)用中，要求利用飛行設(shè)備搭載測量系統(tǒng)，因此，需結(jié)合實際情況制定完善的飛行方案，選擇適宜的飛行平臺。在利用機載LiDAR設(shè)備進行工程測量以及測量數(shù)據(jù)信息采集時，應(yīng)關(guān)注系統(tǒng)的各項指標，包括飛行高度、高程精度、掃描方式、掃描角、平面精度等。

1.3 機載LiDAR數(shù)據(jù)處理

（1）激光數(shù)據(jù)預(yù)處理流程

在利用機載LiDAR獲得GNSS數(shù)據(jù)、攝影數(shù)據(jù)等各類數(shù)據(jù)類型后，可對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，進而有效提升數(shù)據(jù)精度。

（2）激光數(shù)據(jù)后處理流程

對于LiDAR數(shù)據(jù)，可采用密集三維坐標，要求對各類數(shù)據(jù)進行高效分類處理。現(xiàn)如今，對于LiDAR數(shù)據(jù)，一般采用濾波分類技術(shù)，如果利用傳統(tǒng)的濾波算法（TIN），則可在此基礎(chǔ)上利用信息技術(shù)，提升濾波精度和效率。在分離地面點時，可利用三角網(wǎng)濾波算法[1]。

1.4 數(shù)據(jù)成果制作

數(shù)字高程模型（DEM）指的是在測量平面內(nèi)平面坐標以及高程的數(shù)據(jù)集，可準確反映出測量范圍地貌形態(tài)特征。對于測量區(qū)域地形地貌，可利用小采樣間隔的DEM表達，對于范圍較大的測量區(qū)域地形地貌，可采用較大采樣間隔DEM表達。LiDAR點云數(shù)據(jù)的密度比較大，對此，可提取出關(guān)鍵點信息形成DEM。通過利用DEM所獲得的數(shù)據(jù)，能夠有效滿足正射影像制作過程中數(shù)字微分糾正，進而有效提升測量精度。

2 某高速公路工程概況

某高速公路線路全長77.2km，線路沿線主要為山區(qū)，植被茂密，并且地勢地形條件復(fù)雜。在高速公路工程項目設(shè)計施工前，首先需對勘察設(shè)計區(qū)域進行線路測量，在本工程項目勘察設(shè)計中，綜合考慮了實際情況，采用機載激光雷達技術(shù)對擬建高速公路沿線進行空中掃描。機載激光雷達技術(shù)可穿透植被，并且測量精度高，因此符合工程項目測量要求[2]。

3 機載激光雷達技術(shù)實施方案

在本工程測量中，采用載人飛機，并搭載機載激光雷達系統(tǒng)。在航線設(shè)計中，為減少誤差累積，將整個測量區(qū)域劃分為4個飛行區(qū)，在線路中間位置設(shè)置地面基站，可對機載POS數(shù)據(jù)進行解算。在本工程測量中，飛行2個架次，共15條航線，飛行相對高度1.5km，掃描開角45°，激光點旁向重疊度在50%以上，激光發(fā)射頻率300KHz，激光發(fā)射頭掃描頻率30Hz，點云密度4點/m2。高速公路測量流程如圖2所示[3]。

4 工程測量數(shù)據(jù)處理

4.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在應(yīng)用機載激光雷達技術(shù)進行某高速公路測量中，可產(chǎn)生很多數(shù)據(jù)類型，包括原始點云數(shù)據(jù)、機載POS數(shù)據(jù)、GNSS數(shù)據(jù)以及各類影像數(shù)據(jù)。在對點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理時，首先需對機載POS數(shù)據(jù)進行解算，并對點云精度、點云航帶匹配等進行檢查。在數(shù)據(jù)處理中，航帶間誤差處理至關(guān)重要，要求必須保證同名點三維坐標的一致性，這樣才能夠保證數(shù)據(jù)處理精度。

（1）POS數(shù)據(jù)解算。在對POS數(shù)據(jù)進行解算時，采用POSPac商業(yè)軟件，在數(shù)據(jù)解算完成后，要求高程精度以及平面精度應(yīng)分別優(yōu)于5cm、10cm。

（2）點云航帶平差匹配。在航帶平差匹配中，可采用束法區(qū)域網(wǎng)平差計算方式，要求經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，各個架次之間以及架次內(nèi)的匹配精度應(yīng)優(yōu)于10cm。

（3）點云精度檢查。在應(yīng)用機載激光雷達技術(shù)前，首先在測量區(qū)域地面設(shè)置十字地表，采用RTK技術(shù)確定三維坐標，然后與激光點云進行比較分析，即可確定激光點云精度。本工程測量精度如表1所示。

4.2 基準轉(zhuǎn)換

在利用機載激光雷達技術(shù)進行工程測量時，所獲得的數(shù)據(jù)均可利用WGS84坐標系表示，并利用UTm投影，同時應(yīng)用大地高系統(tǒng)。在本次工程測量中，采用2000國家大地坐標系、1985國家高程基準，對于WGS 84坐標系中的激光點云，應(yīng)轉(zhuǎn)換至2000國家大地坐標系、1985國家高程基準中，具體計算公式如下：

在上述公式中，Δx0，ΔY0，ΔZ0分別指的是3個平移參數(shù)，另外，εx，εY，εZ分別指的是3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)，m指的是尺度變化參數(shù)。

4.3 點云濾波處理及DEM構(gòu)建

通過應(yīng)用機載激光雷達技術(shù)，能夠獲得詳細的地面三維信息數(shù)據(jù)，在某高速公路工程設(shè)計中，設(shè)計人員需將地面點數(shù)據(jù)作為參考依據(jù)，對此，對于點云，需進行濾波處理，保留地面點數(shù)據(jù)，同時構(gòu)建DEM，并據(jù)此制作DOM、DLG以及縱橫斷面。在本工程測量中，通過利用點云數(shù)據(jù)，可制作出數(shù)字高程模型，如圖3所示。