無人機搭載機載LiDAR在公路勘測中的應用

■劉長全

（遼寧攝影測量與遙感院 遼寧沈陽 110034）

無人機搭載機載LiDAR在公路勘測中的應用

■劉長全

（遼寧攝影測量與遙感院 遼寧沈陽 110034）

通過對無人機載LiDAR系統獲取的點云數據以及實測檢查數據進行檢測和分析,機載LiDAR可以快速獲取高精度的DEM。無人機可以克服無人區、山區等人類不易到達的地方，具有良好的應用前景。

無人機雷達LiDAR無人機公路勘測無人機航測

長期以來，傳統的以衛星遙感和載人航空遙感為手段的遙感數據獲取技術，由于空間分辨率較低、重訪周期較長、時效性較差、受空域管制等因素的制約，在應對各類勘測任務時，很難提供及時有效的信息。無人機遙感技術的發展很好地解決了這一難題。

無人機機載LiDAR不受日照和天氣條件的限制，能全天候對地觀測，LIDAR數據經過相關軟件數據處理后，可以生成高精度的數字地面模型、等高線圖，具有傳統攝影測量和地面常規測量技術無法取代的優越性。這些特點使它在測繪和軍事等方面的應用具有獨特的優勢。

1 我國公路勘測需求特點

（1）數據采集的速度較慢。

（2）勞動強度大。

（3）受天氣變化的影響較大。

（4）受測區地形及植被情況影響較大。

（5）受道路運行情況等影響較大。

測量精度在地形復雜地區并不能滿足公路設計的要求：在對于中樁的平面和高程測量中，路線的斷面測量中，《公路勘測規范》、《公路勘測細則》中都有明確的規定。對于常規的測量方法，如在山區密林或地形復雜區域，用上面的方法在進行斷面測量時，很難達到精度要求，有時偏差會很大，這也是公路施工中經常進行設計變更的主要原因之一。

2 LIDAR技術與常規測量技術比較

常規地面測量技術主要解決不了視野不開闊，對無人區，林區，山區等人類難以到達地點的測量。機載LiDAR最初目的是為了快速獲取高精度的DEM，因為激光點可以部分透過植被的間隙而直接得到地面點的坐標，無人機可以克服無人區、山區等人類不易到達的地方，所以它的發展非常迅速。

LIDAR技術與常規測量技術比較主要從精度、費用、進度、自動化程度等方面進行，見下表。

項目異同 機載激光雷達測量 常規測量技術精度精度較高，雖然在植被覆蓋密集區和地形破碎區受一定影響，但總體而言，LIDAR 的精度完全能夠滿足公路勘察設計的需求。常規公路測量采用攝影測量和傳統測量相結合的方法，即航拍走廊帶的地形圖和 DTM，利用全站儀和 GPS 技術等對精度較弱部分進行補測，以達到公路勘察設計的要求。費用 相對偏高（但并不離譜）。 相對偏低進度LIDAR 技術一次航拍既可獲得所需的所有數據，精度最弱處也可滿足要求。對重丘和山地區等地形復雜或破碎地區，特別是植被密集區，需進行補測。目前，由于公路設計大多進入到山地區，其進度對公路勘察設計造成一定的影響。自動化程度 除進行少量的人工干預外，容易實現數據的自動處理。需要多種軟件配合使用，方可實現數據的自動處理。

3 無人機機載激光雷達測量系統組成

機載激光雷達測量系統的主要組成部分：（1）動態差分GPS接收機：確定激光雷達信號發射參考點空間位置；（2）INS:測定掃描裝置的主光軸姿態參數；（3）激光測距儀：測定激光雷達信號發射參考點到地面激光腳點間的距離。

圖1 機載激光雷達測量系統組成

無人機機載激光雷達對地定位原理：

LIDAR對地定位原理如下：若空間有一向量S，其模為S，方向為（a，b，c），如能測出該向量起點Os的坐標（Xs，Ys，Zs），則該向量另一端點P的坐標（X，Y，Z）可唯一確定。對于機載激光測量系統來說，起點Os為遙感器光學系統的投影中心，起點坐標（Xs，Ys，Zs）可利用動態差分GPS或精密單點定位技術測定；向量S的模是由激光測距系統測定的機載激光測距儀參考中心到地面激光腳點間的距離；姿態參數（a，b，c）可利用高精度姿態測量裝置獲得。如今，高精度的動態差分GPS和慣性導航系統已成為可能，通過對一系列影響機載激光雷達測量技術的誤差（如激光測距光學參考中心相對于GPS天線相位中心的偏差、激光掃描儀機架三個安裝角的誤差、慣性導航測量系統機體同載體坐標軸系間的不平行等）進行誤差處理，獲得高精度的激光點云數據就成為了可能。

機載激光雷達測量系統通過動態差分GPS精確測定傳感器在空中的位置，通過POS測定傳感器的姿態參數與通過激光掃描儀測得傳感器到地面目標精確距離的方法實現對地定位。慣性測量技術、GPS定位技術與激光測距技術的迅速發展和集成實現了機載激光雷達測量系統對地定位。

機載激光雷達對地定位的坐標轉換順序是：瞬時激光束坐標系→激光掃描參考坐標系→載體坐標系→慣性平臺參考坐標系→WGS-84坐標系。各坐標系之間的轉換關系如圖2。

圖2 機載LIDAR系統中坐標系之間的轉換關系

4 無人機搭載激光雷達數據處理流程

4.1 DLG、DEM、DOM成圖流程

無人機載激光雷達在公路勘察設計中的具體工作流程見圖3。在飛行作業前，要先進行詳細的飛行計劃安排，包括飛行的航線、航帶間的重疊度、飛行高度、飛行速度等。此外還要進行飛行前的參數檢測，然后按預定的航線進行航飛，測完后，還要進行飛行后的參數檢較。

圖3 無人機載激光雷達在公路勘察設計中的具體工作流程圖

圖4 lidar點云和pos數據預處理的具體流程圖

4.2 lidar點云和pos數據預處理流程

完成野外飛行任務后，可得到兩組數據：飛機位置和姿態數據以及瞬時掃描角的激光距離測量值。其中，lidar點云和pos數據預處理的具體流程見圖4。

5 LIDAR在公路勘察設計中的應用

5.1 數字地形圖和數字正射影像圖測繪

通過對LIDAR獲取的點云數據和其他附屬數據進行后處理后，可提供數字正射影像圖和數字地形圖。數字地形圖比例尺通常為1∶500，數字正射影像圖分辨率通常為0.05 m以上，滿足公路勘察設計的可行性研究、初步設計和施工圖設計等各個階段的需求。同時，數字正射影像圖提供了走廊帶的一種直觀影像，與其他遙感影像數據和地理數據融合后，即可進行公路勘察、不良地質路段勘察、公路遙感選線等工作，極大地提高了傳統公路勘察選線的速度。針對公路行業，目前數字地形圖和數字正射影像圖的獲取主要通過攝影測量技術進行。

5.2 數字地面模型測繪

數字地面模型（Digital Terrain Model：DTM）在公路勘察設計中的應用主要集中在提供縱、橫斷面數據和為三維公路輔助設計提供基礎地理數據。數字地面模型有3種數據源：攝影測量、地形圖數字化和野外實測。地形圖數字化由于受地形原圖精度、掃描矢量化精度等影響，精度和速度都遠遠達不到現行公路勘察設計的速度。野外實測無疑是精度最高的一種測量方法，但由于受其測量速度的影響，特別是進入重丘和山地等地形復雜地區，該方法并非首選。攝影測量技術無論在提供帶狀地形圖還是數字地面模型方面是目前工作的主流，其精度和速度在一定程度上滿足要求，但攝影測量技術不但受天氣影響，而且在植被密集區和破碎地形區，精度受一定影響。LIDAR技術的出現，能夠很好地解決攝影測量技術存在的問題，但由于出現的時間短，受價格等多方面因素的影響，其推廣還有一定的難度。

5.3 其他應用

通過機載LIDAR獲取的DTM與0.05m高分辨率影像進行疊加，建立工程區域真實地形地貌三維顯示，遙感解譯人員可直接對滑坡、崩坍、巖溶等不良地質的形狀、大小、邊界、表面形態等地形地貌要素能直接進行遙感分析和信息采集，極大提高了不良地質遙感解譯的精確度、準確度與可信度。同時，DTM和高分辨率正射影像還可為三維輔助公路設計提供基礎地理數據，使得公路設計人員能夠直觀地進行選線，以及橋梁、隧道、涵洞等構造物的設置。

6 結語

無人機搭載載LIDAR提供的1∶500數字地面模型、1∶500地形圖和數字正射影像圖的平面及高程精度滿足 《公路勘測規范》（JTGC10—2007）要求，但由于其施測過程不需要太多首級控制點，故需布設施測或加密首級控制網并進行相應等級水準測量。由于機載激光雷達數據作為一項新技術，國家并未出臺相關的規范和標準，數據精度評定仍需參照傳統相關規范。

P217[文獻碼]B

1000-405X（2015）-10-235-2