劉士遠(yuǎn)

（黑龍江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團(tuán)有限公司，哈爾濱 150080）

1 引言

互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、信息技術(shù)、智能技術(shù)的發(fā)展，有效推動了現(xiàn)代測繪技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。以往在進(jìn)行工程勘測設(shè)計時，主要采用人力“跑圖”方式開展測繪工作，整體效率低下，還很容易引起各種安全事故。同時在獲得測繪數(shù)據(jù)后，同樣需要進(jìn)行海量的計算分析，計算結(jié)果很容易受人為誤差的影響，不利于測繪工作質(zhì)量水平的提升，因此，加強(qiáng)現(xiàn)代測繪技術(shù)的應(yīng)用有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 現(xiàn)代測繪技術(shù)的發(fā)展

伴隨著現(xiàn)代測繪技術(shù)的發(fā)展，測繪作業(yè)開展方面出現(xiàn)了很大的變化。比如，在現(xiàn)代測繪技術(shù)中，涌現(xiàn)了很多數(shù)字化、信息化測繪技術(shù)，比較典型的包括“3S”測繪技術(shù)。除此之外，還出現(xiàn)了無人機(jī)激光掃描測量技術(shù)、無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)等。上述這些技術(shù)的存在，打破了傳統(tǒng)測繪技術(shù)受客觀地形、水文環(huán)境等條件的限制，能夠在空中實(shí)現(xiàn)對工程內(nèi)容的測量，在顯著提升了測量效率的同時，更有利于保障工程項(xiàng)目勘測設(shè)計質(zhì)量。

對無人機(jī)激光掃描測量技術(shù)而言，該項(xiàng)技術(shù)通過無人機(jī)+激光測距+高清同軸相機(jī)，可以在控制完整地記錄測量被目標(biāo)對象表面反射點(diǎn)的坐標(biāo)、反射率、色彩和紋理等信息，最終可以形成三維點(diǎn)云，能夠快速實(shí)現(xiàn)測量對象目標(biāo)的三維重現(xiàn)。并且與傳統(tǒng)測繪技術(shù)如鋼尺量距、全站儀等相比，無人機(jī)激光掃描測量技術(shù)的存在，可以顯著提升測量效率。同時通過該項(xiàng)測繪技術(shù)可以精準(zhǔn)地獲取被測物體的高精度點(diǎn)云和高分辨率色彩，因此，可以更好地滿足被測物體幾何結(jié)構(gòu)和紋理信息采集的需求?；讷@得的測繪信息，可快速完成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則的場景的三維可視化模型的構(gòu)建，便于工程測繪人員獲取更全面的信息。在后續(xù)進(jìn)行測繪數(shù)據(jù)處理方面，也可以利用相關(guān)先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理軟件對測繪數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理，有效減輕后續(xù)“內(nèi)業(yè)”測繪數(shù)據(jù)處理工作量，這對公路工程測繪效率提升也有著較為積極的影響意義。最后，工程測繪人員還可以運(yùn)用無人機(jī)激光掃描測量技術(shù)，獲得一些分辨率較高的公路工程航空圖像信息，隨后利用這些圖像數(shù)據(jù)，完成公路工程數(shù)字工程建模與線路規(guī)劃圖的制作，有效提升公路工程勘測質(zhì)量水平。

對無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)而言，傳統(tǒng)無人機(jī)航空攝影測繪通常只能夠從垂直角度出發(fā)，完成對地物對象的拍攝測繪，獲取測繪數(shù)據(jù)的角度、方式比較單一。而對無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)而言，由于在無人機(jī)上搭載了多個攝像頭以及傳感器，因此，可以從垂直角度、側(cè)視角度等多角度完成對地物對象的測繪數(shù)據(jù)的獲取。將該技術(shù)應(yīng)用于公路工程勘察設(shè)計中，可以有效確保獲取相關(guān)測繪數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與完整性。在獲得相關(guān)的測繪數(shù)據(jù)成果后，測繪人員可以從相應(yīng)模型出發(fā)，抽取各種格式的測繪輔助數(shù)據(jù)，如DEM 數(shù)據(jù)、DSM 數(shù)據(jù)、DOM 數(shù)據(jù)等。不僅如此，圍繞所獲得的測繪數(shù)據(jù)成果，可以從中導(dǎo)出高密度點(diǎn)云與圖像，這些信息與原始數(shù)據(jù)有著非常高的匹配度，從而為公路工程勘測設(shè)計工作開展提供非常重要的幫助[1]。比如，結(jié)合具體的點(diǎn)云與圖像信息，勘測人員可以對現(xiàn)場復(fù)雜的地形有全面的了解與認(rèn)識。除了可以獨(dú)立運(yùn)用傾斜攝影測繪數(shù)據(jù)成果以外，還可以將該測繪成果與其他技術(shù)組合運(yùn)用，如可以與遙感技術(shù)進(jìn)行組合運(yùn)用，測繪人員可以直接從云端平臺獲得公路工程測繪區(qū)域的圖像信息，從而為工程勘測設(shè)計工作開展提供良好的幫助。

總之，在上述現(xiàn)代測繪技術(shù)的幫助下，可以實(shí)現(xiàn)公路工程勘測設(shè)計泛在測繪工作的開展。即上述一系列先進(jìn)的現(xiàn)代測繪技術(shù)的應(yīng)用，減少了測繪作業(yè)對相關(guān)專業(yè)理論知識的依賴，相關(guān)人員可以在規(guī)范的操作程序指導(dǎo)下，不需要了解內(nèi)部測量技術(shù)原理，也可以保質(zhì)保量地完成測繪作業(yè)工作，獲得更高精度的測繪數(shù)據(jù)信息，為公路工程勘測設(shè)計以及后續(xù)的建設(shè)提供充足的數(shù)據(jù)信息支持。

3 公路工程勘測設(shè)計現(xiàn)狀分析

從公路工程勘測設(shè)計現(xiàn)狀來看，一些勘測人員依然在采用傳統(tǒng)的測繪技術(shù)，如GPS-RTK 測量、水準(zhǔn)測量、全站儀測量等方式。上述測繪技術(shù)的應(yīng)用，需要測繪人員負(fù)責(zé)完成大量的測繪外業(yè)工作，不僅很容易受到客觀地形因素的影響，導(dǎo)致整體測繪工作開展效率低下，還很容易出現(xiàn)摔傷等安全事故，且因?yàn)榭陀^地形限制，一些測量區(qū)域無法抵達(dá)，導(dǎo)致獲得的數(shù)據(jù)信息不完整，這必然會影響公路工程勘測設(shè)計質(zhì)量水平。為改善上述限制，應(yīng)加強(qiáng)對無人機(jī)激光掃描測量技術(shù)的應(yīng)用，從而不再受限于地形水文條件，可以獲得更全面的測繪信息，并根據(jù)設(shè)計要求，全面了解測繪區(qū)域地形圖、公路橫縱斷面等信息。基于此，針對現(xiàn)代測繪技術(shù)在公路勘測設(shè)計中的應(yīng)用，本文以無人機(jī)激光掃描測量技術(shù)應(yīng)用為例，闡述現(xiàn)代測繪技術(shù)在公路工程勘測設(shè)計中的應(yīng)用，最終獲得的測繪成果不僅可以滿足公路工程勘測設(shè)計的需求，還能夠用于公路工程路線方案設(shè)計的對比與優(yōu)化。

4 現(xiàn)代測繪技術(shù)在公路工程勘測設(shè)計中的應(yīng)用

4.1 無人機(jī)激光掃描測量系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)選擇

無人機(jī)激光掃描測量系統(tǒng)，集成了諸多系統(tǒng)技術(shù)內(nèi)容，除包括激光測距系統(tǒng)技術(shù)以外，還包括GNSS 差分定位系統(tǒng)、INS 姿態(tài)測量系統(tǒng)等，最終目的是獲得精度更高的測繪數(shù)據(jù)信息。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，做好無人機(jī)激光掃描測量系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)的選擇非常重要。在這一過程中，應(yīng)注重做好各種精度指標(biāo)的分析，從而確保最終獲得的激光點(diǎn)云有著較高的精度。事實(shí)上導(dǎo)致無人機(jī)激光掃描測量系統(tǒng)測量誤差的因素有很多，如激光測距不準(zhǔn)確，掃描角度不合理，GNSS 定位不準(zhǔn)確，IMU姿態(tài)測量不合理等。因此，在具體應(yīng)用無人機(jī)激光掃描測量技術(shù)前，必須要明確相關(guān)的誤差要求，才能消除上述誤差因素影響。通常而言，要求激光測距誤差在5 cm 以內(nèi)。在實(shí)踐中，掃描角誤差可以忽略不計，但GNSS 定位必須要準(zhǔn)確，要求定位平面精度誤差不得超過5 cm，高程定位精度誤差不得超過10 cm。在IMU 姿態(tài)測量誤差控制方面，則需要對整個系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)，做好誤差補(bǔ)償工作。具體而言，隨著無人機(jī)行航高的增加，姿態(tài)角的誤差對激光點(diǎn)坐標(biāo)定位帶來的影響也會越大，并且與高程誤差相比，對平面誤差帶來的影響更大[2]。同時在航高不變的情況下，伴隨著掃描角度的增加，IMU 測角誤差對激光點(diǎn)航向定位和高程帶來的影響也會隨之變大。同時掃描角度的變化不會對方向定位精度帶來誤差影響?；诖耍趹?yīng)用無人機(jī)激光掃描測量系統(tǒng)時，要求側(cè)滾、俯仰角測量精度技術(shù)參數(shù)應(yīng)在0.010°以上，航偏角測量精度技術(shù)參數(shù)不低于0.015°。此外，在進(jìn)行無人機(jī)激光掃描測量系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)選擇時，還應(yīng)關(guān)注脈沖重復(fù)頻率這一技術(shù)參數(shù)，要求該數(shù)值盡可能提升，如此可以有效確保最終獲得的測繪激光點(diǎn)云密度更大，測繪信息更詳細(xì)。

4.2 無人機(jī)激光掃描測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取與CAD協(xié)同設(shè)計

從現(xiàn)實(shí)情況來看，采用無人機(jī)激光掃描測量系統(tǒng)進(jìn)行公路工程勘測設(shè)計作業(yè)時，實(shí)際有效飛行作業(yè)距離相對較短。因此，在實(shí)際應(yīng)用的過程中，需要選擇分區(qū)飛行的方式，獲取更加全面的數(shù)據(jù)。與此同時，為了防止無人機(jī)在飛行時發(fā)生事故，要求加強(qiáng)無人機(jī)跨線飛行距離控制。一般不得超過1 km。無人機(jī)每次作業(yè)飛行時間不得超過20 min。無人機(jī)的航線總長度應(yīng)小于7 km。結(jié)合公路工程勘測區(qū)實(shí)際情況，預(yù)先完成無人機(jī)起降飛行場地的選擇。要求選擇的場地地形平坦，視野開闊，不存在高功率信號的干擾。同時還應(yīng)考慮實(shí)際的天氣情況，選擇在晴天、無云、風(fēng)力較小的時間段開展測量工作。在無人機(jī)正式起飛前，還應(yīng)注意檢查飛機(jī)電池是否滿電、遙控器是否操作正常、控制平板電腦設(shè)備是否運(yùn)行正常，從而確保整個設(shè)備狀態(tài)完好。在確認(rèn)一切狀況良好后，無人機(jī)正式開始起飛。為了獲得較高的地面反射點(diǎn)云密度，應(yīng)將無人機(jī)激光脈沖頻率設(shè)置為最大值。

在完成無人機(jī)激光掃描測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取后，還需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。在這一過程中，需要將GNSS、IMU 等數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，然后再進(jìn)行計算分析，可以獲得航線位置以及姿態(tài)信息。在此基礎(chǔ)上，還需要結(jié)合測距信息，最終可以獲得原始的公路工程勘測區(qū)域激光點(diǎn)云信息。針對這些激光點(diǎn)云信息，還需要采取一系列后續(xù)處理措施，如需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、濾波、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等處理，才能獲得可用的、密集的地面點(diǎn)云信息。最后，還需要利用專業(yè)的軟件，將上述點(diǎn)云信息轉(zhuǎn)化為實(shí)用的數(shù)字正射影像圖（DOM）、數(shù)字線劃地形圖（DLG）等，用于滿足公路工程勘測設(shè)計要求。比如，公路勘測設(shè)計人員可以將上述測繪數(shù)據(jù)信息融入CAD 系統(tǒng)之中，以此來實(shí)現(xiàn)對公路平面、橫斷面設(shè)計，做好不同路線規(guī)劃方案的優(yōu)化與比選，以此來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)激光掃描測量系統(tǒng)與CAD 的協(xié)同設(shè)計。

4.3 無人機(jī)激光掃描測量系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐效果

4.3.1 工程項(xiàng)目概況

為了檢驗(yàn)無人機(jī)激光掃描測量系統(tǒng)在公路工程勘測設(shè)計中的應(yīng)用效果，本文結(jié)合某公路工程項(xiàng)目進(jìn)行分析。鶴崗至哈爾濱高速公路是《國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃》中“縱一線”的聯(lián)絡(luò)線，路線全長468 km，途經(jīng)鶴崗、伊春、鐵力、綏化、哈爾濱，連接了多條國省干線公路，形成了顯著的網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)。其中伊春至哈爾濱段已建成通車，當(dāng)前僅鶴崗至伊春段尚未建成，現(xiàn)對鶴崗至伊春段高速公路建設(shè)工程進(jìn)行勘測設(shè)計。

4.3.2 無人機(jī)激光掃描測量應(yīng)用

在本項(xiàng)目中，采用了旋翼無人機(jī)設(shè)備，用于激光掃描測繪。其中測距精度控制在15 mm，最大有效點(diǎn)頻10×105點(diǎn)/s。在位置精度方面，平面精度為10 mm，高程20 mm。俯仰、翻角標(biāo)稱測量精度為0.005°。航偏角為0.013°。該勘測區(qū)域以帶狀地形為主，不僅有著較大的長度，同時寬度數(shù)值較小。因此，在采用無人機(jī)激光掃描測繪時，只需要往返一條航帶便可以完成測繪作業(yè)工作。在測繪數(shù)據(jù)采集方面，可以選擇設(shè)計線位中線兩側(cè)各約150 m 范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。在航線規(guī)劃方面，綜合考慮多種因素，本次無人機(jī)起飛分為2 個架次，每個架次約5～6 km，設(shè)置了一個起飛場。在相對航高處于135 m 時，能確保航線下方最低處的點(diǎn)云密度在35 個/m2以上。影像地面分辨率為0.1 m。在地面基站建設(shè)方面，本項(xiàng)目采用了雙站模式，在測區(qū)內(nèi)，選擇了2 個首級控制點(diǎn)，通過雙頻接收機(jī)完成地面基站的架設(shè)。

4.3.3 應(yīng)用效果評價

為了對本次測繪獲得的激光點(diǎn)云精度進(jìn)行評價。沿著整個測區(qū)，布置2 516 個高程檢查點(diǎn)。在這一過程中，搭配了GPS-RTK 測量方法，完成其平面和高程坐標(biāo)的測量。從本項(xiàng)目測繪結(jié)果來看，激光點(diǎn)云與實(shí)測檢查點(diǎn)有著非常高的吻合度，證明激光點(diǎn)云有著較強(qiáng)的精度[3]。同時為了對獲得的激光點(diǎn)云進(jìn)行量化評價。通過本項(xiàng)目設(shè)置的2 516 個檢查點(diǎn)，確定其實(shí)測高程，然后與激光點(diǎn)云內(nèi)插高程進(jìn)行對比，最終結(jié)果表明，最大高程誤差0.371 m，最小高程誤差－0.323 m，中誤差0.120 m，誤差均值為－0.040 m。說明本次激光點(diǎn)云有著良好的精度，表明應(yīng)用無人機(jī)激光掃描測量效果良好，可以高效生成設(shè)計人員所需的道路橫斷面數(shù)據(jù)，用于公路工程路線方案設(shè)計與優(yōu)化。

5 結(jié)語

總而言之，在公路工程勘測設(shè)計過程中，無人機(jī)激光掃描測量技術(shù)發(fā)揮著非常重要的作用價值。因此，要提高對無人機(jī)激光掃描測量技術(shù)的重視程度，認(rèn)識到該項(xiàng)技術(shù)所具備的優(yōu)勢特征，同時結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，加強(qiáng)對無人機(jī)激光掃描測量技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐分析，從而為公路工程勘測設(shè)計提供充足的信息支持。