機載LiDAR技術在公路建設中的應用
——以喀喇昆侖公路為例

賀成成，何 偉，張倫寧，杜雁欣，魏于唐

(上海華測導航技術股份有限公司，上海 201702)

目前公路建設中多使用全站儀、水準儀、GNSS接收機作為公路數據獲取的主要設備和手段。但其作業效率低、受天氣環境影響較大，作業精度不高。在地質環境復雜或林被覆蓋大的地區，作業人員很難達到目標點進行作業，若遇到風雨等天氣，則會不同程度地影響作業。在新、改、擴建縱斷面的高程精度應該達到±6 cm/4 cm，而上述方法無法保障。基于以上原因，LiDAR廣泛應用于公路新建、擴建、改建中[1-4]。機載LiDAR系統是利用GNSS、慣導及相機為激光系統提供空間坐標，呈現高清數碼影像，現已應用于林業、交通、水利等行業，應用前景開闊[5-10]。

1 項目背景

喀喇昆侖公路(KKH)被稱為中巴友誼公路或帕米爾公路。作為中國和邊境國家重要通道，它是連接巴基斯坦、南亞次大陸和中東地區的唯一陸地通道。公路全長1032 km，跨越中國及巴基斯坦，公路地處海拔高的險峻之地。20世紀60年代KKH開始修建，在1986年5月開始使用。從地質角度來看，公路處于亞歐板塊和印度洋板塊的交匯活動帶，地質活動經常發生，如滑坡、泥石流、雪崩、地震等，這將導致該路段出現不同程度的道路破壞，影響正常交通運行。

2010年7月，由于巴基斯坦境內發生洪水，該道路沿線受到洪水的嚴重破壞，為了快速對該道路進行修復，保證交通運行，中國政府組織并實施了“援巴基斯坦國道公路網N35和N55(北段)路段修復項目”，其中N35道路的水毀修復路段集中在KKH中段，即THAKOT-RAIKOT段，該項目主要對水毀路段進行修復，但是尚有136.4 km的路段，由于常年受地質災害影響，存在不同程度的損害，需要對其做進步一步的修復和防護。

為了加快項目進度，確保順利完成施工前期的1∶2000帶狀地形圖測量及成圖工作，解決測區山勢陡峭、環境惡劣、人工作業不便作業效率低下等難題。經過調研和比較，項目組使用上海華測導航技術股份有限公司的AS100機載激光雷達系統解決上述問題，快速地為項目組提供了高精度位置服務，保證了項目進度。測區位于東經73°13′—74°05′，北緯35°13′—35°31′。

2 現有情況

項目現場，山路崎嶇，多為砂礫組成的山脊，伴有沙土，可見滑坡等地質現象，道路中斷，交通工具無法使用，其中有10 km左右路段屬于線路改線段，需要對其進行測量，但是測區內復雜的地質條件為作業帶來諸多不便。

通過勘察，綜合現場情況，擬定項目采用手控飛行的采集方式。作業人員通過飛機遙控控制無人機沿線路，由其他工作人員協助對地面站進行監控，并將飛機信息實時反饋給無人機飛手。其中，車輛能夠通行的地方全部乘車手控，而道路中斷的地方基本都靠步行方式沿線控制采集。

3 設備方案

AS100機載激光雷達系統是一種基于無人機搭載激光雷達的測量系統，集成Velodyne VLP-16激光掃描儀、GNSS、IMU(慣性導航單元)、同步控制單元和CCD攝像機可實時快速地獲取三維空間信息以及圖像，具有高精度、高密度、高效率的優勢。作為新興的三維數據獲取手段，AS100可廣泛應用于鐵路、公路、隧道、橋梁、機場等施工管理領域，實現施工管理的數字化應用。

4 技術路線

技術路線規劃分為計劃準備、航飛實施、數據處理。計劃準備階段首先進行設備調試，再進行飛行準備，最后是航線規劃。點云的密度反映了最終成果的分辨率，而飛行高度、激光發射頻率和掃面角度是影響點云密度的主要因素，因此在計劃準備階段對這些因素進行規劃，才能保證飛行質量和成果的質量。完成以上準備后，可進行航飛。首先進行設備運輸存儲和維護，進行飛機的安裝測試；其次進行GNSS基站與地面匹配，完成后可進行飛行操作與數據采集；然后進行數據處理，數據處理階段包括數據處理、檢查和質量控制；最后進行成果提交。技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線圖

5 采集流程

采集流程分為基站架設、飛行準備、初始化設備配置、數據采集、數據拷貝。

6 數據處理

6.1 數據預處理

數據預處理包括POS解算過程、激光處理和坐標轉換3個重要環節。其中POS解算過程生成PosT文件，可以根據時間提供所載產品的位置和姿態信息；激光處理過程主要工作內容是對原始激光文件進行解碼，轉換激光點坐標，得到WGS-84坐標中的LAS格式點云；坐標轉化是指根據用戶的需求以及作業任務的要求，建立新的工程新的獨立坐標系，將點云的成果轉化到新建工程的獨立坐標系中。POS解算軟件界面如圖2所示，激光處理如圖3所示，坐標轉換如圖4所示。

圖2 POS解算

圖3 激光處理

圖4 坐標轉化

6.2 點云后處理

點云后處理主要包括點云抽稀、噪點剔除、濾波分類環節，在對數據進行精細分類后，除去其他干擾物點信息，例如植被點、噪聲點、建筑物點，保留精準的地面點，同時可以提取保留地形要素的高程數據[10-14]。點云抽稀如圖5所示，地面點分類如圖6所示。

圖5 點云抽稀

圖6 地面點分類

6.3 地形圖制作

地形圖制作是指將高程點、等高線和地物進行繪制。根據地面點描繪等高線并修改，制作高精度的數字高程模型DEM產品，基于CAD軟件導入點云圖，進行地物描繪，形成完整的1∶2000帶狀地形圖[14-16]。項目繪制等高線如圖7所示，地物繪制圖如圖8所示。

圖7 等高線生成

7 成果展示

測繪工作完成后，可得到如圖9所示的點云圖，以及如圖10所示的地形圖成果。

8 結 論

機載LiDAR技術作為一種綜合的測量技術方法，與傳統航空攝影測量在數據采集過程中相比，具有成本低、速度快、效率高等突出優勢，特別是在三維數據采集方面具有巨大的發展前景與應用需求。

圖8 地物繪制

圖9 點云成果

圖10 地形圖成果

在本項目中，在KKH公路沿線測量過程中使用華測導航AS100機載LiDAR系統，大大提升了數據采集效率，克服了測區地形起伏變化大、環境惡劣、人工測量危險系數高等困難，在快速作業、短時間內獲取海量點云的同時，使用自主開發的點云處理軟件完成一系列處理工作，包括點云坐標轉換、去噪抽稀、濾波分類等，極大地提高了工作效率。本項目的成功實施，證明了利用機載LiDAR進行1∶2000地形圖測繪是一種高效率、高精度的方法，與傳統測量方式相比具有無法比擬的優勢，隨著機載LiDAR技術的普及，未來測圖工作將更加高效便捷。

同時需要思考兩點：①對于作業面積較小的區域，由于機載LiDAR技術費用較高，不宜在測區面積較小的區域使用該項技術。②對于車載LiDRA技術也應做相應的討論和設計，對于路況較好的大區域測區，從作業效率和降低成本方面考慮使用車載LiDAR技術進行作業，具有一定的優勢，同時將數據采集、處理等過程集成在應用服務軟件上，可以實現方便快捷高效的作業。