王跃武

（浙江纳智地理信息科技有限公司，浙江 杭州 311400）

1 引言

在工程领域有多方面涉及土石方量的统计测量，传统方法主要有仪器测量法，如利用GPS、全站仪或水准仪测量地形特征点，耗费大量人力物力，且对场地环境要求较高，当遇到恶劣环境时，测量人员的人身安全得不到保障，同时会延长工期，大大提高工程的成本[1]。近年来，机载LiDAR 系统以高效快捷、机动灵活、成本低廉等优势发展迅猛，已广泛应用于基础地理信息采集、地质调查、勘察测绘等领域。本文以某土石方工程为例，利用机载LiDAR 系统获取地面三维点云数据，经专业处理后生成准确的数字高程模型（DEM），再通过Global Mapper 软件的体积测量功能将开挖前后的DEM 进行叠加计算，得出土石方量，为土石方测量提供一种全新的技术手段。

2 机载LiDAR 系统简介

LiDAR 是一种新兴的主动遥感技术，工作原理是根据激光测距原理计算得到从激光雷达到目标点的距离，脉冲激光不断扫描目标物，就可得到全部目标点的带有地理坐标的点云数据，再利用专业软件将点云数据进一步处理得到所需的测绘图件[2]。按照载体的不同，LiDAR 分为地面、车载、机载、星载四种模式，机载LiDAR 相对于其他搭载方式，具有机动灵活、成本低、数据精度高、作业效率高、环境因素影响小等优点，已被广泛应用。机载LiDAR 系统是多种先进技术的集合体，运行时需要多个系统共同协作，主要由空中机载部分和地面基站部分组成。其中，空中机载部分主要包括搭载平台、激光扫描仪、POS 系统，地面基站部分主要包括基准站GNSS 接收机、计算机和数据分析处理软件[3]。机载LiDAR 系统如图1 所示。

图1 机载LiDAR系统作业方式

随着无人机平台的不断成熟，用于机载的LiDAR设备也朝着小型化和精巧化方向发展，数据获取能力不断提高、应用方向不断扩大。机载LiDAR 系统在测绘领域有着独特的技术特点。

2.1 穿透性强、受环境因素影响小

机载LiDAR 系统属于主动式测量技术，发射的激光脉冲能穿透云层、薄雾、植被等障碍物，可在阴天甚至夜间作业。在森林覆盖密集或高山峡谷区域，相比传统航测技术，该技术有着超强的环境适应能力和数据获取能力。

2.2 高效率

机载LiDAR 系统能在短时间内获取大区域、大范围的地表空间信息，而且仅需布置少量外业像控点，内业即可清晰判别大部分地物，大大减少了外业工作量，生产效率相比传统航测手段要高很多。

2.3 高精度

机载LiDAR系统采集的点云数据由激光直接获取，密度可达到每平方米一个甚至十几个原始数据点，由于激光具有较强的穿透能力，能够获取到更高精度的地表数据，因此无论是平面精度还是高程精度都比依据有限像控点拟合的传统航测要高[4]。

3 项目实例

3.1 项目背景

以某地区公路改建工程中的土石方测量为例，该公路设计为一级公路，是该地区重要干线公路。根据公路整体设计要求，需对某路段的一块场地进行测量并回填，需回填的场地面积约为20 万平方米。受复杂地理地质环境、前期施工等多种因素影响，测区凹凸不平的土坑较多，回填难度较大，根据要求，需完成原地面10m×10m 网格测量，作为土石方结算依据。考虑到利用传统测绘方法施测难度较大，项目组决定利用机载LiDAR 系统开展作业，同时与利用传统GNSSRTK 法的土石方测量结果相比较，进行精度检查。

3.2 数据获取

采用华测P580 无人机平台搭载AS-300HL 多平台激光雷达测量系统，获取目标区域激光点云及影像数据。AS-300HL 多平台激光雷达测量系统有效集成激光扫描系统、定位定姿系统（包括全球定位系统GNSS 和惯性导航仪IMU）及控制单元，并进行轻量化设计，重量仅有3.2kg，数据采集速度却高达10 万点/秒，最大测距为250m，测量精度为15mm，重复精度为10mm。

参照测区地形地貌及建筑物、植被覆盖等情况，结合LiDAR 系统的特点，在保证安全飞行的前提下，制定本次任务的飞行路线规划图和飞行参数，设计相对起飞点航高为120m、飞行速度为7.5m/s、航向间距为60m，共设计5 条水平航带和2 条垂直航带。考虑空域及天气因素，仅飞行一个架次即完成测区全部数据采集任务，总飞行用时23 分钟。数据采集完成后点云数据量为5.16 GB，获取影像578 张，对数据进行完整性检查，确保采集数据完全覆盖测区、无大面积遗漏。

3.3 数据处理

数据处理主要有点云数据解算、DEM 生产、土石方图制作三个步骤。

3.3.1 点云数据解算

数据解算方法主要包括三部分：（1）差分GPS 处理；（2）轨迹文件解算；（3）点云数据输出。使用Inertial Explorer 软件进行差分GPS 处理和轨迹解算，采用设备自带的激光解析软件进行点云数据输出。为保证激光点云扫描数据精度，扫描的同时安排外业人员利用GNSS-RTK 实测一批检查点。检查点要分布均匀，要以外围硬质路面标记点为主。对于测区的噪声点，需通过TerraSolid 软件逐块剔除，反复调整相关参数，剔除点云数据的明显噪声，以便开展DEM 生产。

3.3.2 DEM 生产

获取的点云数据，除了地面点还包括植被、建筑等非地面点数据，需经过点云分类得到地面点[5]。利用分类好的地面点成果数据，结合带有高程信息的特征线即可制作高精度DEM 成果。由于通过点云数据生成得到的等高线曲线折点较多，不够平滑，需要后期进行手工编辑修饰，编辑原则包括平缓地区等高线走向的正确性、V 字形山脊山谷朝向的正确性等。

3.3.3 土石方量计算

结合点云数据处理软件对测区正射影像数据进行裁剪，然后利用裁剪后的正射影像与附加输出的点云数据进行叠加，由于不同点落在不同的对象表面，提取落在地面上的点，过滤掉地面以上的点，将两者用不同颜色区分并单独显隐，进而得到真正的地面点云数据。完成地面点提取后，可得到精准的地面点高程信息，再通过这些高程值生成准确的DEM（如图2所示），最后利用Global Mapper 软件的体积测量分析功能计算土石方量，该软件还可对等高线、高程分布、坡度、坡向、流域面积等空间表达进行分析，具体步骤为：首先在Global Mapper 软件中加载土石方开挖前的DEM 数据，然后再加载土石方开挖后的DEM，点击“分析”菜单下的“根据两个表面测量体积”命令，软件即自动计算出研究区域的土石方量为38546.627m3。

图2 土石方开挖前DEM影像

3.4 精度验证

3.4.1 三维点云精度检查

三维点云精度直接影响土石方量的计算精度，在三维点云数据中均匀选取10 个检查点，将量取的坐标值与GNSS-RTK 测量的值进行对比，10 个检查点的平

面和高程误差统计如表1 所示。

表1 检查点实测与采集数据对比

按照中误差计算公式：

公式中，M为中误差，n为检查点个数，Δi为检查点平面和高程实测值与量取值的较差。经公式计算得出，研究区选取的10 个检查点的平面位置中误差为0.032m，高程中误差为0.048m，平面和高程精度均达到厘米级，满足土石方测量的精度要求。

3.4.2 GNSS-RTK 法测量土石方量

土石方开挖前后，分别利用传统的GNSS-RTK 现场采集一定密度的地形特征点，将测量数据展绘到CASS软件中，构建三角网计算土石方量（如图3 所示）。利用南方CASS9.0软件对采集的特征点数据进行处理，计算得到开挖前后的土石方差值为38731.389m3，与利用机载LiDAR 系统计算的土石方量相差184.762m3，相对误差仅为0.5%，证明两种方法测量的结果均正确。由于机载LiDAR 系统获取的是地表真实的DEM，软件通过对比每个点的高程差值进行方量计算，因此，精度要比传统GNSS-RTK 测量有限点的方法高很多。

图3 CASS9.0计算土石方量

3.5 结果分析

对采用机载LiDAR 系统与传统GNSS-RTK 技术的土石方测量方法进行比较，结果如表2 所示。在工作效率上，利用机载LiDAR 系统的外业时间为0.5h，传统GNSS-RTK 技术的外业时间为2.5h，后者用时是前者的5 倍。在测量精度上，机载LiDAR 系统获取的是地表真实的DEM，DEM 模型上每个点位都有准确坐标及高程，能真实反映地形连续的起伏变化，每个地形点都会参与土石方计算，计算结果更加准确；而传统GNSS-RTK技术受测量人员经验和专业水平影响很大，且只通过有限点来计算土石方量，测量精度较差。总体来看，机载LiDAR 系统较传统测绘方法的优势如下：

表2 两种方法的外业时间及计算结果比较

（1）工作效率高。机载LiDAR 系统的工作效率比传统测量方法高5 倍，可快速到达测区开展作业，且内业数据处理自动化程度高，在大面积土石方测量中更能体现应用优势。

（2）精度高。机载LiDAR 系统获取的是地表真实的DEM，软件通过对比每个点的高程差值进行方量计算，精度要比传统GNSS-RTK 测量有限点的方法高很多。

（3）安全性好。利用机载LiDAR 系统进行外业数据采集时，只需要一块稍平整的起降场地即可开展作业，保证了测量人员的安全。

4 结束语

土石方测量工作比较繁琐，传统测量方法受多种因素影响已难以满足当前要求。本文提出的基于机载LiDAR 系统的土石方快速测量方法简单易行、高效快捷，大大提高了测量效率，节省了人力物力，保障了测量人员的安全。经验证，该技术获取的成果在精度上完全符合要求，为土石方测量提供了新的技术手段。