廉福绵 张 衡 吴学超 李 通

(1.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088；2.山东省国土测绘院，山东 济南 250103)

0 引言

机载激光雷达系统是一种集激光测距、全球定位系统(GPS)、惯性导航系统(INS)和CCD相机为一体的系统[1]。能够同步获取高精度的地面点云数据和影像数据，且受天气影响较小、数据获取速度快、精度高、产品多样化等特征，具有传统摄影测量方法不可比拟的优势[2,3]，引起了测绘界研究的浓厚兴趣。

传统的高速公路测量方法主要是应用水准仪、全站仪、GPS等测量设备对路线的地形图、道路的纵横断面、沿线的主要构造物进行测量[4]，以获取满足设计需要的数据。利用这些传统技术虽然也能够满足精度要求，但是其效率低，需要对路线进行重复测量，成本较高[5]。特别是在山区植被茂密的区域，利用传统的方法根本无法测量。因此，本文结合新泰至台儿庄高速(以下简称新台高速)公路勘测项目，对基于机载LiDAR技术的高速公路勘测方法进行了深入研究，并对其可行性进行了验证分析。

1 项目实施

新台高速位于山东省中南部，起自枣庄—临沂市界附近，经山亭转向东南穿刘岭铁矿，在枣庄市中区孟庄镇设枢纽与枣木高速东延工程相联，利用枣木高速东延工程至峨山枢纽，利用临枣高速向西，在峄城南互通和峄城服务区间设枢纽向南新建，经泥沟镇西，在台儿庄区马兰屯镇附近接X107落地。线路全长59.096 km，分为南北两段，北段长约33.380 km，地形以低山丘陵为主，南段长约25.507 km，地形以平原为主。由于项目工期紧，任务重，采用传统的勘测方法根本无法满足项目勘察设计的工期要求，结合项目实际情况，提出了采用机载LiDAR技术进行沿线航空扫描，获取线路的点云和影像数据，生产制作线路地形图及纵横断面等成果，提供设计使用。

项目使用运5载人飞机搭载加拿大Optech公司生产的ALTM OrionH300型机载激光雷达系统。在进行航空扫描时，将测区划分为2个分区，在线路中间架设地面基站，用于解算机载POS数据。项目共飞行了2个架次，15条航线，飞行相对高度1 200 m，扫描开角为全角45°，激光点旁向重叠度不低于50%，激光发射频率300 kHz，激光发射头扫描频率30 Hz，点云密度4点/m2，每个架次设计一条构架航线，航高保持一致。项目实施基本流程如图1所示。

2 数据处理

2.1 数据预处理

机载激光雷达航空扫描数据包括原始点云数据、机载POS数据、地面基站GPS数据及影像数据。点云数据预处理工作包括机载POS数据解算、点云航带匹配、点云精度检查等。经处理后，用RTK检测点云精度情况如表1所示。

表1 点云精度统计表 m

2.2 基准转换

机载LiDAR获取的数据采用的是WGS84坐标系，高程采用的是大地高系统。本项目采用的是1980西安坐标系，正常高，所以要利用测区内分布均的首级控制点运用布尔沙模型计算出七参数[7]，将点云数据的坐标换到1980西安坐标系。

其中，ΔX0,ΔY0,ΔZ0为3个平移参数；εX,εY,εZ为3个旋转参数；m为尺度变化参数。

高程拟合利用沿线的首级控制点计算出其高程异常值，采用解析内插与三次样条函数[8]法将点云高程由大地高转换为正常高，得到工程坐标系下的点云成果。

2.3 点云滤波处理及DEM构建

机载LiDAR能够获取丰富的地面三维信息数据，包括地面植被、人工建筑物等，所以需要将点云进行滤波处理，滤除非地面点数据，得到地面点数据成果，并构建DEM[9]，作为设计的基础数据并用于制作线路的DOM,DLG及纵横断面。利用点云数据制作的数字高程模型如图2所示。

2.4 道路断面提取

断面成果是道路设计最重要的成果之一，经处理后的点云数据和DEM成果，设计人员可以直接导入到纬地等道路设计软件中，用于自动提取线路的纵横断面。基于高密度的点云数据成果，设计人员可以任意提取纵横断面，这也是机载LiDAR的一个巨大优势。提取的断面图如图3所示。

2.5 线路带状地形图制作

机载LiDAR技术能够同时获取三维点云和影像数据，在地形图的测绘与制作中有巨大的优势，本项目利用LiDAR数据在无外业像控点的情况下快速制作线路带状地形图，达到了1∶2 000地形图的精度要求，大大节省了勘测设计成本和时间。利用LiDAR数据制作地形图的工作包括：

1)地物要素数据的采集。利用LiDAR系统获取的影像数据、POS数据和相机文件数据及点云数据在无外业像片控制点的情况下进行影像纠正和空中三角测量，恢复立体像对，快速采集地物要素数据。

2)地貌和高程注记点的采集。利用Terrasolid和南方CASS软件在地面点云数据的基础上自动提取高程注记点并生成等高线，改变了传统摄影测量依靠立体测图采集高程点和等高线的模式。

3)地形图成果生成。将地物要素和地貌要素的综合处理，经过内业编辑整饰即可得到带状地形图成果。

3 成果精度分析

为了验证机载LiDAR技术在山区高速公路勘测中的可行性，对地形图精度和横断面精度进行了检查。

1)地形图精度的检查。利用GPS RTK的方法在道路交叉口处、房屋角点均匀采集了647个平面点，在硬化地面、农田等处均匀采集了1 151个高程点，对地形图的平面和高程精度分别进行计算分析，误差统计表如表2，表3所示。

表2 平面误差统计

表3 高程误差统计

2)断面精度检查。利用RTK测量结合水准测量的方式在道路沿线每隔2 km采集一条横断面，并与激光点云提取的横断面数据进行对比，如图4所示，列出了点云断面和实测断面的对比图，其中最大的点高差为15.3 cm，中误差为9.2 cm，表明机载LiDAR的横断面测量精度完全能够满足高速公路勘测设计的精度要求。

根据规范要求，山地1∶2 000地形图平面位置中误差为1.6 m，高程中误差为1.2 m，以2倍中误差为限差。经过外业检查分析，利用机载LiDAR技术无像控点制作的地形图平面和高程精度均优于规范对1∶2 000地形图的精度要求，数字高程模型和断面的精度也远高于规范要求，完全能够满足高速公路勘测设计的需要。

4 总结与展望

机载LiDAR系统能够同时获取高精度、高密度的点云数据和高分辨率的影像数据，原始数据经过简单处理即能够获取高精度的地面点云成果、数字高程模型成果以及数字线划图成果，本文结合新台高速公路勘测项目，对基于机载LiDAR数据制作数字高程模型、数字线划图、道路断面提取等进行了深入研究，经过验证其成果能够满足高速公路勘测设计的精度要求，提高了高速公路勘测设计效率，缩短了勘测周期。并得出以下结论：

1)机载LiDAR技术在制作高速公路带状地形图时，可以在无像控点的条件下，利用POS数据和点云数据对影像进行纠正，能够满足1∶2 000地形图的精度要求。

2)机载LiDAR技术获取的点云数据精度较高，能够用于高速公路的勘测设计。

3)机载LiDAR技术与其他测量手段相比，精度高，速度快，点云覆盖全面，非常适用于高速公路勘测项目。

随着机载LiDAR技术的进一步成熟，必将成为以后高速公路勘测设计的主流手段，对于推动高速公路勘测设计手段的进步和测绘新技术的广泛应用有重要意义。

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