機載 LIDAR 系統在公路斷面測量中的應用與精度分析

管華煜

摘 要：本文以機載LIDAR系統在公路斷面測量中的應用為研究對象，論文敘述了機載激光掃描測量系統在公路斷面測量中的應用過程，通過數據，對縱橫斷面檢查精度進行了分析，說明機載激光掃描測量系統可以應用于公路勘測，其精度完全符合使用需要。

關鍵詞：機載LIDAR 公路斷面 測量 精度分析 公路勘測

中圖分類號：P204 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（b）-0000-00

1 研究背景

機載 LIDAR 是一種集激光掃描、全球定位系統（GPS）、慣性導航系統（IMU）于一體的空間測量系統（如圖 1 所示），三者結合在一起，使擊中目標的光速的足跡位置和方向達到高度的準確性。因此它測量的地理模型比傳統的攝影測量方法得到的更加詳細和準確。

機載激光掃描系統由空中測量平臺、激光系統、姿態測量和導航系統、數碼相機、計算機及軟件等組成。空中測量平臺是航空激光掃描測量系統進行作業的空間載體和操作平臺，主要為直升飛機或其它飛機，用來裝載航空激光掃描測量系統所需要的各種儀器儀表和操作人員。

GPS 接收機、IMU 慣性制導儀、導航計算機構成了姿態測量和導航系統。GPS接收機采用差分定位技術確定平臺的坐標。IMU 慣性制導儀測量航飛平臺的姿態，用于對發射激光束角度的校正以及地面圖像的糾正。在沒有植被的區域，比方說道路旱地等，激光點完全保留下來，地面激光點平均間距為 1.2 米-1.6 米；在植被覆蓋一般的地區，比方說桉樹林等，由于植被阻擋，有一部分激光點無法照射到地面上，地面激光點平均間距為 2 米-5 米；在植被非常茂密的地區，比方說成片的甘蔗地，激光點穿透到地面比較困難，但只要有縫隙，激光點就可以穿透到地面上，地面激光點平均間距為 3 米-8 米，激光點間距最大不大于 20 米。激光點分類完以后，對所有的地面激光高程點進行不規則三角網建模，生成數字地面模型，按規則格網存儲，格網大小為 0.5 米。縱橫斷面測量在數字地面模型上采用計算機自動生成，根據給出的中樁坐標，在數字地面模型上求出其高程值，然后再在垂直中線方向上自動尋找特征點，并將特征相對與中樁的距離和高差保存起來，橫斷面計算步長一般取 0.5 米。高程值采用雙線性內差求得。

2 野外實測縱橫斷面方法

中樁放樣采用 GPS RTK 進行，其高程采用 GPS RTK 高程，放樣點一般是在坡度變化比較大的地方或道路邊上等一些特征比較明顯的地方。部分中樁高程采用中平方式聯測了附近的水準點。橫斷面測量采用全站儀直接架設到中樁上，用下一個中樁定向進行測量，直接測量特征點到中樁的距離和高差。由于實際植被比較茂盛，通視條件比較差。

3 單個激光高程點精度分析

為保證激光高程點檢查的準確性，實際檢查地點選擇在硬化的水泥路面上，先將激光點按實際坐標放樣，再用五等水準觀測方法與已知水準點進行聯測。本次檢查地點選在深汕西高速公路I47 和 I72 附近，實際檢查激光點 74 個，絕對中誤差0.057米，相對中誤差0.034米。激光高程點存在系統誤差，絕大多數激光點的高程都比實測的高程要小幾厘米，從檢查結果來看，激光點絕對高程中誤差為 0.057 米，但對激光點高程進行加常數改正后，其相對高差中誤差為 0.034 米。根據檢測樣本數據，激光高程點數據在硬化水泥路面上的高程基本上可以滿足公路改造的要求。

4 縱斷面精度檢查

縱斷面精度檢查主要檢查實際放樣的中樁高程與室內根據地模求出來的高程值之差。其中上中平的中樁個數為 25 個，高程中誤差0.098米，高差為正點個數6個，高差為負點個數為19個；采用 GPS RTK 高程檢查的中樁個數為 506 個，高差為正點個數為136個，高差為負點個數為370個，高程中誤差為0.202。

實測上中平的中樁主要分布在路的兩邊，旁邊沒有明顯植被遮擋，檢查點高程中誤差為 0.098mm。這說明在在沒有植被遮擋的情況下，地面模型的高程精度可以達到 0.098mm，這種地方主要是指硬化的路面，空曠的平地以及沒有植被的旱地等。采用 GPS RTK 高程進行的檢查的中樁沿著路線均勻分布，按初測要求，一般在縱坡變化的地方以及地物分類處，包括坎上、坎下、樹林中，水溝中、道路兩邊以及小路中間等，基本上包括了可以反映數字地面模型不同地方精度的所有特征點。實際檢查特征點 506 個，高程中誤差為 0.202mm。這說明地面模型的整體精度為 0.202mm。根據地模計算出來的縱斷面高程中誤差也應該為 0.202mm。高差為正的點和為負的點個數相差比較大，為負的點個數占總數的 73.2%。這說明地面模型有一定的系統誤差，這主要是跟飛行過程中的定位精度和激光點是否直接測到地面上或者是地面上的矮小植被上有關。

5 橫斷面精度檢查

橫斷面檢查主要選在一些有代表性的地方進行橫斷面實測，再與室內根據數字地面模型生成的橫斷面進行精度比較。檢查范圍主要選在道路旁邊、植被比較茂盛的桉樹林中、甘蔗地里面、稻田、水溝旁邊以及地形比較復雜的地方。橫斷面檢查由于室內根據數字地面模型計算出來，按 0.5 米一個點進行采集，橫斷面寬度為 45 米左右。因此，對于特征點的距離精度比較不是很明顯，因此，實際檢查時比較實測特征點跟室內橫斷面線同樣距離的地方的高程之差。本次共實測橫斷面 38 條，檢查特征點個數 395 個，橫斷面高程檢查精度為 0.226mm，高差為負的點數為 292 個，占總點數的 73.9%，這與縱斷面檢查數據基本一致。

6 結果分析

從縱橫斷面檢查精度來看，縱斷面檢查精度為 0.202mm，橫斷面檢查精度為0.226mm。縱橫斷面檢查精度基本一致，這說明本次精度檢查完全符合實際情況，檢查數據可靠。由于縱橫斷面的精度實際都是反映數字地面模型的精度，通過不同的方式進行檢查，得出同樣的精度指標，這說明湛江-徐聞段高速公路數字地面模型的精度為 0.2 米左右，通過數字地面模型計算出來的縱橫斷面精度也應該為0.2 米左右。

根據《公路勘測規范》，對于高速公路定測，其橫斷面高程檢查限差符合以下規定：

m = ±（ h/100+L/200+0.1） （1）

實際檢查時，橫斷面平均寬度為 45 米左右，高差平均為 1.5 米左右，則根據（1）式，其限差為 0.34 米。而根據數字地面模型計算出來的橫斷面精度為 0.226米，遠低于限差要求，因此，根據數字地面模型計算出來的橫斷面精度符合公路定測的要求。對于縱斷面。根據公路定測實際情況，必須進行實際放樣，其高程通過實際測量求得，室內求出來的高程可以對實測進行檢查；對于橫斷面，則可以通過室內求得，其中樁高程采用實際放樣高程，對于一些特殊地方，比方說比較寬的水溝，可以通過實測水底的高程，對室內橫斷面進行誤差改正。

7小結

本文主要敘述了機載激光掃描測量系統在公路斷面測量中的應用過程，通過數據，對縱橫斷面檢查精度進行了分析，說明機載激光掃描測量系統可以應用于公路勘測，其精度完全符合使用需要。

參考文獻

[1] 張祖勛，張劍清.數字攝影測量學.武漢測繪科技大學出版社，1997.

[2] 程正逢，王盛才，等.航空激光掃描測量系統在國外工程中的應用.地理空間信息，2003，（3）.