激光掃描技術在高速公路改擴建中的應用

李錦明

（廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510000）

1 引言

沈陽至海口國家高速公路茂名至湛江段(以下簡稱“茂湛高速公路”)是國家7918 高速公路網中第二條南北縱線——沈陽至海口高速公路重要組成部分，自2005 年9 月建成通車以來，隨著經濟的快速發展，交通量快速增長，通行量達到或接近高速公路所能適應的通行能力，現有通行能力逐漸不能滿足社會經濟發展對交通運輸的需求。因此，開展茂湛高速公路的改擴建工作非常必要，且十分迫切。

茂湛高速公路改擴建項目需對舊路的橋涵、原路面等進行詳細測量及調查，內容繁雜；設計周期短，測量時間少，給項目各個階段的測量工作帶來了極大挑戰。傳統測量技術手段采用GPS-RTK、精密水準測量的方法，工作量大、效率低且存在重大施工安全風險，因此不適用于茂湛高速公路項目的改擴建。激光掃描技術作為一種全新的數據獲取手段，具備數據采集快、自動化程度高、安全性好等特點，能夠滿足高速公路改擴建的要求。

2 激光掃描技術在道路勘察設計中的應用分析

機載LIDAR（Light Detection and Ranging）是激光探測及測距系統的簡稱，集成了GPS、IMU、激光掃描儀、數碼相機等光譜成像設備。其中主動傳感系統（激光掃描儀）利用返回的脈沖可以獲取探測目標高分辨率的距離、坡度、粗糙度和反射率等信息，而被動光電成像技術可獲取探測目標的數字成像信息，經過地面的信息處理而生成逐個地面采樣點的三維坐標，最后經過綜合處理得到沿一定條帶的地面區域三維定位與成像結果。

機載激光雷達測量精度取決于激光雷達的激光器的校對和標定、飛機的飛行高度和速度、GPS/IMU 系統精度、激光器類型、斑點大小[1]。 機載激光測量系統組成如圖1 所示。

圖1 機載激光測量系統組成

三維激光掃描儀采集的數據，其表現形式是矩陣，并且每個矩陣單元獲取的是目標結構的表面三維點，矩陣單元值是三維點的坐標值。三維激光掃描儀對目標物體進行掃描，獲取目標結構物上的空間點坐標，多個目標的點集合即“點云”（Point clouds）。三維激光掃描儀獲取的數據成果如圖2 所示，包括了目標物體的三維坐標（X，Y，Z） 、反射強度（intensity）、顏色（RGB）和影像信息等[2]。

圖2 雷達點云數據成果

2.1 數據獲取

項目實施前需要布設GPS 參考站，并做好設備檢查和系統測試工作。布設參考站要準確測量站點坐標，確定好參考站之間的距離；在檢校航線（如圖3 所示）工作中，AB、EF 為雙向對飛航線，而CD 則為平行飛行航線，布設檢校方案時需要將與相鄰航線重疊部分的范圍控制在30%～50%；根據公路勘察設計項目條帶狀的基本特征，進行分區域攝影，確保同一航帶范圍內的高差保持在一定范圍內，確保點云的密度以及精度[3]。

圖3 檢校航線

2.2 數據處理

LIDAR 數據處理主要分為幾何地理定位和濾波分類兩大部分。

（1）軌跡線解算、點云解算配準

主要進行幾何定位處理，通過定位數據的差分處理，IMU 姿態確定、校正和配準、坐標變換等過程，結合LIDAR 數據實現激光點的三維坐標解算。

（2）激光點云精細分類

激光點云精細分類也就是濾波分類，對于公路項目來說，最重要的就是從紛雜的激光點云中分離出地面點，為公路設計人員提供準確DEM。點云分類成果分為兩類，一為初步分類成果，即經過預處理和成果精度的初步檢驗，將噪聲點完全剔除，通過算法分類地面點，經常用于方案研究階段、地形圖制作、快速正射影像制作和地形圖調繪等；二為精細分類成果，基于初步分類成果，編輯處理形成精細化點云模型，構建規則合理的地面點云模型，能夠清晰描述溝坎處等地物特征形狀，可以真實表達測區地理信息，一般用于矢量繪圖、斷面提取、土石方計算、三維模型制作等[4]。

2.3 質量檢查

質量檢查主要為激光點云內符合檢查和外符合檢查。激光點云內符合檢查主要是檢查不同時間采集的統一區域的點云匹配是否滿足要求。外符合檢查就是通過野外實測一些控制點來檢查激光點云數據與實地是否匹配[4]。

2.4 應用分析

快速、精確、高效地獲取項目激光掃描數據信息，滿足改擴建公路施工圖設計精度要求，可替代傳統測量手段，保證作業安全。原始數據經過二次精化后可作為高速公路改擴建的基礎資料，滿足了高速公路改擴建路面施工圖設計的需要。

（1）能夠勘察設計不同階段線路區域中的DEM、影像圖以及相關的地形圖，同時利用LIDAR 系統獲取密度較高的點云數據，從而有效生成DSM、精度較高的DEM 以及比例尺較大的地形圖，為前期公路勘察提供一定的參考數據。

（2）利用LIDAR 系統能夠為公路設計工作者提供更真實、更直觀的三維瀏覽場景，制作出真三維模型，能夠實時檢測道路設計的效果，有效獲取影像并建立模型，以便對周邊的高速公路和周圍地物進行識別，從而直觀監控高速公路和周圍環境。

（3）可以為規劃和擴建工作提供基礎數據。LIDAR系統具有的高程數據能夠為擴建和規劃工作提供相應的三維數據，而且這些數據的密度較高，不需要內插計算，即可直接獲取圖內任何一點的平面坐標和高程坐標，且精度較高，以便后期公路規劃以及擴建工作的開展[5]。

3 激光掃描技術在茂湛高速公路改擴建中的應用

激光掃描技術可以在高速公路改擴建工程中實現路面高精度數據精化改正，基于多源異構融合數據進行高精度數字模型制作，還可以基于三維數據進行工程關鍵要素/部分的精準提取，建立高速公路測設工程的新模式。

3.1 基于激光掃描的改擴建工程路面高精度數據精化改正

本項目采用激光雷達掃描的主動測量方式進行外業數據采集，作業自動化程度高，無需人工進入快車道，能夠實現不干擾正常交通流的既有道路信息采集，安全且高效。

為了獲取路中路面特征線的高精度高程數據，首先利用電子水準儀沿路肩每隔100 米左右測量一個標靶點，并與水準控制測量統一平差計算，得到精準的水準高程；劃定路中路面的范圍線，并從經過首次精化后的激光點云數據中提取道路路面范圍的點云數據，利用水準高程點對已有的路面點云數據進行高精度二次改正。

二次改正后的激光點根據高速公路平縱面線型變化規律和高程變化的平順情況及數模高程變化進行人工判別點云的正確性，并及時進行修正；密集提取縱斷面，加上自動化的人機可視化交互，根據高速公路路面縱斷面線型變化的規律，利用Excel 計算縱斷面相鄰高差進行檢查，利用半自動化人工干預剔除錯誤數據，最終得到滿足要求的路面數據，經抽檢，精度達到高程中誤差為0.014m，完全滿足高速公路改擴建施工圖設計需要。

3.2 海量多源異構數據融合的高精度精細數字高程模型制作

高速公路改擴建項目的精細數字高程模型利用了電子水準儀測量數據、高精度測量的GNSS-RTK 實測數據、高精度測量的全站儀測量數據、改正后的激光點云數據、路面高精度二次精化的點云數據等多源多種數據，通過計算機編程自動化處理，按照精度高低次序進行融合計算利用，進而形成實測數據的點集及線集（實測的密集高程點、路邊、溝坎等）；然后，結合分離后的激光數據和二次改正后的高精度路面模型，通過一系列的運算處理，經過刪除、修正和融合形成最終的高精度精細數字高程模型。該模型的應用不僅能夠滿足現階段的勘察設計需求，經過一定的格式變換還可以直接進行BIM 建模的應用，為后續BIM 技術在施工過程中的應用，如施工信息管理、BIM-4D 施工進度管理等一系列BIM 應用，奠定了堅實的基礎。

3.3 高速公路改擴建工程關鍵要素精準提取

針對激光雷達技術的非接觸式主動測量特點，利用其正射影像圖DOM 數據和實測邊線數據對道路中線進行擬合并提取；同時對既有橋梁等結構物的關鍵要素進行高精度獲取，采用獨立的測量數據編碼對既有橋梁橋臺平面位置、臺前臺背、橋墩柱、墊石、橫梁、梁底高程等關鍵要素進行單獨提取，在測量成果中獨立分層建模。該項技術能幫助不同專業的設計人員快速獲取各自所需的基礎數據，大大提高了與設計的協同作業效率。

3.4 建立高速公路自動測設新模式

該項目在定測過程中最大程度減少了人工干預，實現了定測階段縱橫斷面測量的測設數據處理自動化作業模式。與傳統縱橫斷面方法相比，新的方法在作業流程中減少了人工干預，避免了全站儀通視困難等問題，精度均勻可靠。在定測路線調整后，補測橫斷面過程效率極高，充分利用了項目前期的測量成果，避免了大量的重復測量。新方法施測過程靈活，避免了傳統方法必須等全部路線穩定后方可實施的劣勢，可以靈活分段采取先測穩定路段后測其他路段的方法，提高了公路測設的工作效率，既保證了作業人員安全，節省了工程建設成本，又為勘察設計工作爭取了大量時間。

4 結論

本項目采用的基于激光掃描技術的改擴建工程路面高精度數據精化、基于北斗和激光掃描等海量多源異構數據融合的高精度精細數字高程模型、高速公路改擴建工程關鍵要素精準提取技術，將測繪行業的多項先進技術相結合集成在公路勘測中。特別是激光雷達掃描技術在高速公路改擴建項目中的應用，極大縮短了項目整體建設周期，最大程度上保證了作業人員的安全，在保證質量的前提下提高了工效，提升了社會經濟效益，全數字化作業的同時減少了外業時間，減少了對環境的負面影響[6]。