車載Li DAR和傳統勘測在高速公路改擴建工程中的應用和對比

江智云

（浙江省交通規劃設計研究院有限公司，杭州310030）

1 引言

高速公路改擴建工程需對既有公路平、縱面線形進行測量，需在左右幅中央分隔帶邊緣和右側硬路肩外邊緣4 條線沿同一橫斷面線上布設測點[1]。設計人員根據左右幅中央分隔帶邊緣測點進行平、縱精確擬合，對測點平面和高程精度有較高的要求，尤其是高程，例如，京藏高速公路石嘴山至中寧段改擴建工程等項目提出平面精度優于5cm，高程精度優于2cm 的勘測要求[2,3]。實際上，在運營階段的高速公路上實施高精度高程測量，存在較大的難度和安全風險。

高精度車載LiDAR 測量技術已廣泛應用于高速公路改擴建工程中，并有較成熟的應用經驗[4]，常用傳統公路勘測方法包括GNSS-RTK 測量、全站儀測量和水準測量[5]。筆者依托浙江省某高速公路改擴建項目，對2 種勘測方法的高程精度、效率、安全保障投入3 個方面進行對比，提出高速公路改擴建路面勘測方法的建議，對改擴建項目中如何進行路面勘測具有一定的參考意義。

2 方法應用

2.1 工程概況

某高速公路改擴建工程全長約137km，初測采用車載LiDAR 測量，從激光點云數據中獲取中央分隔帶邊緣白色熱熔實線（測點1）、各行車道虛線（測點2）、硬路肩左側白色熱熔實線（測點3）和硬路肩右側外邊緣瀝青路面線（測點4）等特征點。定測采用四等水準結合全站儀免棱鏡測量方法進行路面復測，連續復測其中約100km。

2.2 車載Li DAR測量應用

2.2.1 應用概況

沿高速公路硬路肩間隔1km 布設1 個靶標，靶標測量采用RTK 高程控制測量方法進行，高程采用RTK 高程。分4 段進行數據采集，最長一段39km，每段架設2 個GNSS 基準站，每個基準站能夠覆蓋半徑10km 范圍，GNSS 基準站接收機靜態數據采集間隔1s，測量車輛以40km/h 的速度行駛于硬路肩。點云數據經靶標控制校正后，以整20m 樁號提取各測點空間坐標。

2.2.2 誤差情況

上述方法獲取的點云高程精度為基于RTK 高程，在每2 個標靶中間增設一個檢核點，檢核點采用RTK 碎部測量，用于檢查激光點云與RTK 高程測量差值情況。共檢查372 點，最小差值-1.6cm，最大差值5.5cm，中誤差2.01cm。其中，誤差≤±2cm 的共214 點，占比57.53%；誤差＞±2cm 且≤±3cm 的共140 點，占比37.63%；誤差＞±2cm 且≤±3cm 的共18 點，占比4.84%。

2.3 傳統勘測方法應用

2.3.1 應用概況

先采用四等水準將水準高程從控制點引至硬路肩上，并設轉點，再采用RTK 放樣整20m 倍數樁號橫斷面上的測點3 和4，并用紅漆標注，為確保作業安全，將測點3 向測點4 平移0.6m，測量水準轉點坐標用作全站儀測站點和定向點。接著四等水準沿硬路肩施測，按照“后—后—前—前”的順序觀測，測站過程中同步記錄各測點讀數。全站儀完成設站和定向后，先對定向點觀測數據記錄，再采用免棱鏡對測站的測點1 和行車道線進行碎部測量，測點間距控制15m 內。四等符合水準完成后，平差計算各讀數改正值，對各點進行水準高程改正，獲取水準高程。

2.3.2 誤差情況

完成四等附合水準路線35 條，最長8.31km，最大符合閉合差19mm，經平差計算后，各轉點相對鄰近高程控制點精度達毫米級。測點3 和4 與四等水準前后視同站觀測，經改正后其精度亦能達毫米級。

免棱鏡對白色物體反射效果最好，精度達毫米級，與測距呈正比[6]。全站儀定向距離≤140m，碎部點距離≤70m，碎部點距離≤1/2 定向距離，理論上碎部點高程測量誤差≤定向高程差值。隨機抽取300 組全站儀定向高程差值，占總測站數19.6%，最大差值+19mm，最小差值-14mm，中誤差8.4mm。

20m 倍數樁號斷面上測點1 往往需要通過相鄰兩碎部點通過內插獲取。隨機抽取相鄰連續3 點數據100 組，點相互平均間距14.6m，通過首尾兩點內插獲取中間點內插高程（最弱點）對比實測高程。差值絕對值最大為20mm，大于10mm 數據3 個，其余均小于10mm，內插最弱點中誤差為7.43mm。

綜上所述，測3 和4 高程相對鄰近高程控制點誤差為毫米級，最接近真值。通過免棱鏡內插獲得測點1 精度最弱，相對測點4 精度能夠控制在2cm 內。

3 對比分析

3.1 精度對比

3.1.1 靶標高程對比

初測階段靶標和檢核點使用RTK 高程，定測階段利用測點3 和4 進行內插獲取對應點位水準高程。左右兩幅各對比329 組數據，左幅中誤差4.08cm，右幅中誤差4.22cm，左右幅差值趨勢基本一致，如圖1 所示。

圖1 左右幅靶標兩階段高程差值柱狀圖

差值大于±3cm 雙向共291 處，其中198 處周邊存在（高）邊坡或上跨天橋或兩側植被茂密情況，有GNSS 信號受干擾的情況。在橋臺前后，存在個別誤差大于±5cm 的情況，系測量車經過橋臺伸縮縫存在震動所致。說明高精度要求的高程測量，不宜采用RTK 方法，宜采用水準測量，周邊存在邊坡等障礙物對RTK 高程影響較大。

3.1.2 測點1 高程對比

車載LiDAR 測量在硬路肩進行，測點1（即公路縱面高程點）距離最遠，相對精度最弱，左右幅各對比5 200 余組數據，2 個階段差值呈正態分布，詳見表1。左幅差值算術平均值為+0.79cm，中誤差為3.11cm；右幅差值算術平均值為+1.17cm，中誤差為3.84cm。

表1 兩階段測點1 高程差值統計表

除個別測量數據問題造成的粗差，通過對比2 個階段測點1 高程差值與靶標、檢核點高程差值之間的關系，其趨勢基本一致，如圖2 所示（以右幅為例）。說明基于靶標RTK 高程校正的點云高程精度基本等同RTK 精度，點云高程精度取決于靶標高程精度。

圖2 2 個階段測點1 差值與靶標差值對比圖

3.1.3 單幅路面兩側高差對比

單幅路面兩側高差即測點1 與測點4 高程之差，平均間隔1km 抽樣，左右幅共對比188 組數據。左幅最小差值-0.47cm，最大差值7.64cm，平均差值3.07cm；右幅最小差值-1.72cm，最大8.16cm，平均差值2.75cm；差值與路面寬度呈正比。差值≤1cm 和≥5cm 各10 處，占比5.3%；差值＞1cm 且≤3cm，106 處，占比56.4%；差值＞3cm 且＜5cm，62 處，占比33%。

點云獲取的高差較全站儀免棱鏡測量的高差整體偏大2～4cm，差值存在一定的系統性。利用路面橫向坡度理論值2%進行核查，點云坡度大于2%，占77%，平均坡度2.19%，免棱鏡測量平均坡度1.94%。說明點云獲取的高差存在偏高的可能性，傳統勘測獲取的高差精度較為可靠。靶標高程控制沿硬路肩呈線狀布設，有必要在路面橫向（中分帶處）進行高程校正點布控，使高程控制呈網狀，以提高測點1 的精度。

3.1.4 提高點云精度的方法

提高點云精度，靶標高程需采用四等水準聯測，且布設越密越好。文獻[2]和文獻[3] 提出靶標間距為200m 的方案，根據實際作業情況，在硬路肩上進行四等水準測量，建議直接利用四等水準各站前后視（其間距小于200m）高程和間隔1km 采用全站儀免棱鏡多測回方法獲取中分帶白線空間坐標作為點云高程校正點使用。

3.2 效率對比

2 階段各投入2 組作業人員，投入情況如表2 所示，若采用結合四等水準的車載LiDAR 測量，需增加作業員2 人，增加10～12 工日。實際工作中，傳統方法外業作業受天氣、節假日和交通管控等影響，歷時51d 完成。如表2 所示，不管采用何種車載LiDAR 測量方法，外業效率均大大高于傳統勘測方法。

表2 作業效率表

3.3 安全保障投入對比

為對交通影響降至最低，將工作區域設定在硬路肩。車載LiDAR 測量采用預警車跟隨預警方式進行，投入預警車1 輛/組即可。傳統勘測方法采用硬路肩臨時封閉方式進行，每次封閉2km，封閉3h，每日封閉2 次，至少投入預警車2 輛/組、配合封道人員3 人和警示錐等資源。若靶標采用四等水準測量，亦需采用硬路肩臨時封閉方法，單次封閉時間約可縮短一半。

4 結論與建議

綜上所述，得出以下結論和建議：

1）采用本文提出的傳統勘測方法高程能夠滿足相對鄰近高程控制點高程中誤差2cm 的要求，但外業作業效率低，內業數據處理工序煩瑣，數據復雜，極容易造成數據錯誤，投入安全保障資源大，采用硬路肩臨時封閉對交通有一定影響，受天氣、交通管制等制約因素多，工期、進度難以掌控。

2）車載LiDAR 測量作業效率較傳統勘測方法高數倍，上路作業時間短，安全風險相對較低，長里程改擴建項目宜采用結合四等水準測量的車載LiDAR 測量。

3）車載LiDAR 測量獲取點云高程精度取決于靶標高程精度，獲取高精度高程須進行靶標四等水準測量，加密布設高程校正點。高速公路硬路肩進行四等水準測量，存在水準路線穿越互通、樞紐匝道分（合）流口，存在較高安全風險。中分帶高程校正點采用水準測量，存在橫穿高速主線的極大安全風險，建議利用免棱鏡多測回方法獲取。

4）對于高程精度優于2cm 的勘測要求，不宜使用GNSSRTK 高程，只能采用水準測量建議設計人員根據實際需求提出合理的高程勘測精度要求，比如，提高結構物高程精度要求，降低路基路面高程精度要求。

5）施工階段后期的瀝青路面施工，高程精度需達毫米級，設計階段根據勘測縱橫斷面數據進行造面工程量控制較為困難，建議在施工階段結合路面特征碎部點水準成果進行縱坡擬合的動態設計。