LiDAR技術(shù)在公路工程測(cè)量中的應(yīng)用

賈 軍

(山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉中 030619)

道路工程

LiDAR技術(shù)在公路工程測(cè)量中的應(yīng)用

賈 軍

(山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉中 030619)

依托某高速公路工程測(cè)量項(xiàng)目，采集大量LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將掃描生成的DTM與現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，研究得出LiDAR掃描技術(shù)用于公路工程測(cè)量的精準(zhǔn)度與影響因素，同時(shí)針對(duì)LiDAR掃描技術(shù)應(yīng)用于公路工程測(cè)量的可行性進(jìn)行了探討。

LiDAR技術(shù)；工程測(cè)量；精準(zhǔn)度

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)的儀器及性能

選用加拿大生產(chǎn)的ILRIS-3D激光掃描儀做為本次試驗(yàn)勘測(cè)儀器。該儀器重11 kg，發(fā)射的光源為一級(jí)激光，安全性好，同時(shí)使用PDA無線遙控便于操作。

ILRIS-3D激光掃描儀的掃描勘測(cè)距離長(zhǎng)，精準(zhǔn)度高，完全符合公路勘測(cè)的要求。其主要技術(shù)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 ILRIS-3D激光掃描儀技術(shù)性能指標(biāo)

1.2 工點(diǎn)的遴選

分別以某高速公路K86+700樁號(hào)的隧道進(jìn)口處、K90+280樁號(hào)的隧道出口、K91+150樁號(hào)的隧道進(jìn)口、K94+220樁號(hào)的隧道出口做為測(cè)試工點(diǎn)A、B、C、D，且4處工點(diǎn)均是山、平地結(jié)合的地形，植物覆蓋率較低。

1.3 試驗(yàn)過程

2014年10月25日進(jìn)場(chǎng)，10月26日～27日確定勘測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)地，在場(chǎng)地選擇上必須遵循以構(gòu)造物工點(diǎn)與植被覆蓋率適中的原則。同時(shí)，利用地面上的電線桿做為測(cè)量坐標(biāo)點(diǎn)并進(jìn)行標(biāo)記(測(cè)量坐標(biāo)點(diǎn)包括點(diǎn)云控制點(diǎn)與平面位置檢查點(diǎn))。10月28日～30日進(jìn)行LiDAR掃描，并測(cè)量標(biāo)記的各三維坐標(biāo)。11月1日～10日使用全站儀測(cè)量掃描范圍內(nèi)的地形散點(diǎn)。

由于ILRIS-3D激光掃描儀不具備對(duì)中定向功能，因此掃描時(shí)須進(jìn)行布設(shè)，同時(shí)對(duì)點(diǎn)云控制點(diǎn)測(cè)量。此外，點(diǎn)云控制點(diǎn)決定著最終測(cè)量所得地形的質(zhì)量，因此將捆綁尖木棍的電桿做為本次試驗(yàn)的點(diǎn)云控制點(diǎn)，以確保測(cè)量坐標(biāo)點(diǎn)的清晰。

將掃描儀器置于視野開闊且平整的地方進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)在PDA無線遙控上設(shè)置好掃描的范圍與間距。本次試驗(yàn)在范圍內(nèi)和點(diǎn)云控制點(diǎn)周圍的掃描間距分別設(shè)定為50 mm、5 mm。掃描的范圍、點(diǎn)間距與速度決定著儀器掃描所需時(shí)間，經(jīng)過在粗算，掃描間距為1 m時(shí)，使用ILRIS-3D激光掃描儀掃描1 km2范圍需花費(fèi)8 min左右。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

通過對(duì)A、B、C、D工點(diǎn)的掃描，共計(jì)得到掃描點(diǎn)11 494 365個(gè)。整個(gè)試驗(yàn)需將各工點(diǎn)獨(dú)立進(jìn)行掃描，且1次完成，確保點(diǎn)云塊之間無連接。然后將掃描點(diǎn)導(dǎo)入Poly Works隨機(jī)軟件包，依次對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯、計(jì)算、顯示和輸出的處理。

(1)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)。根據(jù)標(biāo)記點(diǎn)的掃描間距不同，將坐標(biāo)點(diǎn)的位置通過Poly Works隨機(jī)軟件包進(jìn)行選取。

通過見圖7對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，椒江流域內(nèi)，隨著日照時(shí)長(zhǎng)的增減，水體懸浮泥沙濃度也隨之發(fā)生趨勢(shì)相同的波動(dòng)，同時(shí)，二者決定系數(shù)R2達(dá)到0.7582，說明流域內(nèi)水體懸浮泥沙濃度與年內(nèi)日照時(shí)長(zhǎng)有較強(qiáng)的相關(guān)性.

首先，選取點(diǎn)云圖上的測(cè)量標(biāo)記點(diǎn)位置并輸入坐標(biāo)，然后通過Poly Works隨機(jī)軟件包計(jì)算出點(diǎn)云與工程坐標(biāo)系中匹配和轉(zhuǎn)換的精度。通過計(jì)算本次試驗(yàn)工點(diǎn)A的轉(zhuǎn)換精度為3.16、工點(diǎn)B為4.57、工點(diǎn)C為3.45、工點(diǎn)D為4.63，精度均較高。

(2)篩選數(shù)據(jù)。在大量點(diǎn)云控制點(diǎn)中篩選出測(cè)量地形圖所需的點(diǎn)云(如地表的點(diǎn)云)做為測(cè)量地表的坐標(biāo)，同時(shí)將地形圖不需要的點(diǎn)云(如植被)進(jìn)行刪除處理。

(3)采集數(shù)據(jù)。完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)篩選后得到實(shí)際測(cè)量目標(biāo)所需的點(diǎn)云與點(diǎn)云坐標(biāo)，本次測(cè)量在地形圖范圍內(nèi)共采集378 422個(gè)掃描點(diǎn)，這些掃描點(diǎn)能直接生成數(shù)字地面模型(DTM)，也能在某段間距內(nèi)插獲取該樣點(diǎn)的坐標(biāo)與高程。

(4)建立數(shù)模。利用在測(cè)量地形圖范圍內(nèi)采集的掃描點(diǎn)建立數(shù)字地面模型。

2.2 精度分析

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別得到測(cè)量標(biāo)記點(diǎn)的平面坐標(biāo)與間距為1 m、2 m、5 m的地面散點(diǎn)坐標(biāo)。通過對(duì)比分析三維掃描儀測(cè)出標(biāo)記點(diǎn)、實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)的平面坐標(biāo)，計(jì)算出三維掃描的平面精度。將間距為1 m的地面坐標(biāo)、高程分別生成DTM，并在DTM內(nèi)植入實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)的平面坐標(biāo)，通過對(duì)比兩者的高程，可得到測(cè)量地形圖的高程精度；而橫向、縱向斷面的精度分別是以其斷面在DTM中的測(cè)量所得地形變化點(diǎn)的間距對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)得地形變化點(diǎn)的間距來獲取。

(1)地形圖的平面精度。由于本次測(cè)量過程中掃描范圍內(nèi)能準(zhǔn)確測(cè)量的平面坐標(biāo)點(diǎn)不多，故增加了65個(gè)坐標(biāo)標(biāo)記點(diǎn)輔助測(cè)量，在原平面坐標(biāo)測(cè)量基礎(chǔ)上，輔助標(biāo)記點(diǎn)還需利用2 s級(jí)全站儀將其水平角、垂直角與距離進(jìn)行1次測(cè)量。為確保點(diǎn)云坐標(biāo)的計(jì)算，分別在工點(diǎn)A、B、C、D的掃描區(qū)域內(nèi)選取4個(gè)測(cè)量標(biāo)記做為點(diǎn)云控制點(diǎn)，而剩下的標(biāo)記點(diǎn)用于平面坐標(biāo)精度的確定。4個(gè)工點(diǎn)的平面精度試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)量分別為18、9、12、12個(gè)。因精度試驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)量較少，故本次試驗(yàn)針對(duì)各工點(diǎn)的平面位置精度采取綜合分析，并計(jì)算得出各工點(diǎn)平面位置的平均誤差為4 cm，誤差范圍為7.6～0.5 cm。

(2)高程精度。由于高程點(diǎn)位數(shù)量過多，因此同樣需使用了2 s級(jí)全站儀對(duì)本次試驗(yàn)的10 150個(gè)地形散點(diǎn)的水平角、垂直角與距離進(jìn)行1次測(cè)量。通過測(cè)量，得出工點(diǎn)A、B、C、D的高程中平均誤差分別為10.1 cm、11.6 cm、10.4 cm、10.5 cm；最大誤差分別為16.8 cm、18.2 cm、16.1 cm、16.5 cm；最小誤差均為0 cm。

(3)地形圖的縱、橫斷面精度。據(jù)統(tǒng)計(jì)本次測(cè)量的中樁高程與橫向斷面的數(shù)量分別為108、105個(gè)，由此可知用于對(duì)比的中樁高程個(gè)數(shù)不多，無法得到準(zhǔn)確的高程誤差范圍，因此本次試驗(yàn)將工點(diǎn)A、B、C、D區(qū)域內(nèi)全部中樁高程進(jìn)行綜合分析，得出其誤差為10.1 cm，并通過對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的高程，得出誤差范圍為17.3～1.2 cm。

根據(jù)中樁坐標(biāo)和野外實(shí)際中樁測(cè)量時(shí)距離中樁的長(zhǎng)度，將各地形變化點(diǎn)之間的高差從LiDAR內(nèi)進(jìn)行采集，同時(shí)對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)所得的高差，得出本次試驗(yàn)105個(gè)橫向斷面的中誤差變化范圍為10.7～2.4 cm。

2.3 精度評(píng)價(jià)

(1)根據(jù)上述可知，本次LiDAR試驗(yàn)中地形圖平面位置的平均誤差為4 cm，誤差范圍為7.6～0.5 cm。工點(diǎn)A、B、C、D均在同一基礎(chǔ)控制點(diǎn)進(jìn)行勘測(cè)，同時(shí)本次試驗(yàn)使用J2級(jí)全站儀將控制點(diǎn)的水平角、垂直角、距離進(jìn)行了一次回測(cè)，確定了勘測(cè)過程中基礎(chǔ)控制點(diǎn)的自身誤差并未引起點(diǎn)云控制點(diǎn)產(chǎn)生誤差。而造成地形圖平面位置出現(xiàn)誤差的主要原因?yàn)辄c(diǎn)云控制點(diǎn)的大小、測(cè)量精度以及掃描時(shí)數(shù)據(jù)處理引起誤差。分別以本次試驗(yàn)點(diǎn)云控制點(diǎn)的測(cè)量精度m誤差=3 cm、實(shí)際測(cè)量標(biāo)記點(diǎn)的對(duì)點(diǎn)誤差m對(duì)點(diǎn)=3 cm、點(diǎn)云控制點(diǎn)對(duì)中標(biāo)記誤差m標(biāo)記=1.5 cm為例，可計(jì)算出其主要原因造成的誤差m掃描。

通過LiDAR掃描所得的各精度進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其對(duì)點(diǎn)精度為影響點(diǎn)云控制精度的主要原因。

(2)由LiDAR掃描地形散點(diǎn)形成數(shù)字地面模型的平面上截取工點(diǎn)A、B、C、D地形圖的高程精度平均誤差為11.7cm，而實(shí)際測(cè)得工點(diǎn)A、C、D的高程中平均誤差分別為10.1cm、10.5cm、10.4cm，將兩者進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)掃描所得平面位置的誤差較

大。根據(jù)高差互差表可知，LiDAR掃描內(nèi)插高程整體上大于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的高程，而造成其誤差的原因大致為：掃描范圍內(nèi)植被大多為低矮的草科植物，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理時(shí)數(shù)值不能準(zhǔn)確及時(shí)的修改；現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)地形散點(diǎn)中使用的對(duì)中桿實(shí)際上可能處于地面內(nèi)。此外，測(cè)得縱向斷面的精度、誤差分布情況類似于LiDAR掃描地形散點(diǎn)的高程。

(3)本次試驗(yàn)共計(jì)掃描105個(gè)橫向斷面，其誤差的范圍為10.7～2.4 cm，與地形平面測(cè)量、中樁高程測(cè)量相比，其精度明顯高于兩者，造成這一現(xiàn)象的主要原因?yàn)闄M向斷面是以地形變化點(diǎn)之間的相對(duì)高差進(jìn)行測(cè)量的。

(4)通過試驗(yàn)分析可知，使用LiDAR掃描形成數(shù)字地面模型的平面精度明顯要優(yōu)于高程精度，該掃描技術(shù)基本能夠滿足公路工程中測(cè)量精密地形圖與縱、橫向斷面所需的要求。

3 結(jié) 論

(1)在LiDAR系統(tǒng)掃描過程中，造成地形圖平面位置出現(xiàn)誤差的原因?yàn)辄c(diǎn)云控制點(diǎn)的大小、測(cè)量精度以及掃描時(shí)數(shù)據(jù)處理引起誤差。

(2)通過試驗(yàn)可知，使用LiDAR掃描形成數(shù)字地面模型的平面精度明顯要優(yōu)于高程精度，因此LiDAR掃描技術(shù)滿足公路工程中精密地形圖與縱、橫向斷面測(cè)量所需的要求。

(3)LiDAR掃描系統(tǒng)進(jìn)行地面測(cè)量時(shí)，如需進(jìn)一步提高平面測(cè)量的精度，應(yīng)優(yōu)先考慮云控制點(diǎn)精度的提高。

[1] 楊少偉，吳明先，符鋅砂.道路勘測(cè)設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社，2009.

[2] 吳芬芳，李清泉，熊卿.基于車載激光掃描數(shù)據(jù)的目標(biāo)分類方法[J].測(cè)繪科學(xué)，2007，32(4)：75-77.

The application of LiDAR technology in engineering survey

JIA Jun

(Shanxi Traffic Vocational And Technical College, Jinzhong，Shanxi 030619,China)

Collect many LiDAR point cloud data based on the highway engineering survey project. Combine and analyze the DTM got by scanning and the site survey data. Study shows the accuracy and influence factors when using the LiDAR scanning technology into engineering survey. As well discuss the feasibility that use the technology into engineering survey.

LiDAR technology; engineering survey; feasibility

2015-07-08

賈軍(1978-)，男，山西太原人，講師，研究方向：工程地質(zhì)和工程測(cè)量。

U412

C

1008-3383(2016)02-0001-02