車載LiDAR技術在高速公路改擴建勘測中的應用

李 通

(山東省國土測繪院 山東 濟南 250103)

0 引言

隨著社會經濟的快速發展,我國機動車保有量迅速增加,高速公路的通行壓力也急速上升,很多高速公路已經大幅超過了其設計通行能力,高速公路改擴建也逐漸成為目前公路建設領域的熱點[1-3]。高速公路改擴建項目對路面的測量精度要求較為嚴苛,平面位置中誤差優于5 cm,高程中誤差優于2 cm。目前,多數高速公路改擴建勘測項目還是采用傳統的全球定位系統(global positioning system,GPS)、實時動態載波相位差分技術(real-time kinematic,RTK)、全站儀、水準測量等方法進行路面測量[4-6],不僅測量效率低下,勘測周期長,難以滿足工期要求,還需要對既有道路進行交通管制,影響道路正常通行,并且存在巨大的安全隱患[7-11]。

目前,車載激光雷達(light detection and ranging,LiDAR)測量技術日益成熟,也應用到了公安、市政、交通等諸多領域,該技術不僅能夠獲取線路的全景影像數據,也能夠同時獲取點云數據。本文以京藏高速公路改擴建項目為例,對車載LiDAR應用于高速路改擴建的關鍵技術進行了詳細介紹,首先采用車載LiDAR技術對既有道路路面進行掃描,獲取路面點云數據,然后采用不同的糾正方案對數據進行高精度的糾正,最終得到了滿足精度要求的成果,并總結出了完整的技術方案,對以后的同類項目有重要的借鑒意義。

1 設計方案

京藏高速公路改擴建(銀川段)是國家重點工程項目,我院合同段長度約40 km,根據項目勘測設計大綱要求,路面測量精度平面位置中誤差應優于5 cm,高程中誤差應優于2 cm[3]。傳統的測設方案是先在沿線布設一定數量的控制點然后利用水準測量、全站儀、GPS RTK等手段測定路面數據,工作量巨大,并且測設人員需要上路測量,影響道路通行,存在很大的安全隱患。基于此,項目組提出了采用車載LiDAR掃描系統進行數據采集,并通過預先布設的路面靶標控制點對數據進行糾正,測設技術路線如圖1所示。

圖1 測設技術路線

1.1 地面靶標布設與測量

常規條件下,車載LiDAR系統測量點云數據的平面和高程精度在10 cm左右,無法滿足高速公路改擴建的精度要求[3],所以需要對原始數據采集、點云計算平差等環節進行控制和改進,并布設一定數量的地面靶標控制點對點云數據進行高精度糾正。本項目為了檢驗不同間距靶標控制點的糾正效果,其布設間距控制在100 m左右,沿道路兩側應急車道布設,布設尺寸應當根據點云的密度進行計算,一般長邊邊長應在點云間距的6～10倍,本項目布設的地面靶標控制點如圖2所示。靶標控制點的平面位置采用帶簡易三腳架的GPS RTK方法測量,每個點測量3個測回,每個測回測量30 s,測回間互差不超過3 cm,高程采用四等水準的方法測量,并進行嚴密平差。

(a)形狀圖 (b)顯示效果圖圖2 靶標控制點

1.2 車載LiDAR掃描

本項目采用國產的SSW車載移動測量系統進行線路的掃描測量,獲取的點云間距為5～7 cm,在進行掃描的同時需要在高速公路沿線布設一定數量的GPS地面基站與車載定位定姿系統(position and orientation system, POS)系統同步觀測,相鄰基站的布設間距不超過10 km。另外,在掃描作業開始前需要與高速公路路政部門做好溝通,協調其做好保障工作,掃描過程中車速應控制在60 km/h,盡量保持勻速行進,避免與大型車輛距離太近,以保證GPS信號及慣導狀態良好。

1.3 數據處理

車載LiDAR掃描數據處理包括POS解算與點云解算、點云數據高精度糾正等。

1.3.1點云解算

點云解算采用隨機的軟件進行。首先利用IE軟件進行POS數據解算,輸出姿態結果,然后進行點云解算,輸出las格式的點云數據。輸出的線路點云數據如圖3所示。

圖3 線路點云數據

1.3.2點云數據高精度糾正

由于獲取的點云數據精度在10 cm左右,無法滿足高速公路改擴建的精度要求,因此需要利用地面靶標控制點成果進行平面位置和高程的高精度糾正。

(1)平面位置糾正。點云數據平面位置糾正采用分段仿射算法進行,包括采集控制點對應的目標點點云坐標、點云平面糾正、精度檢查3個步驟。其數學模型為

式中，(X,Y)T為校正后點云平面坐標;(x0、y0)T為校正前點云平面坐標;a、b、c、d、dx、dy為仿射變換參數。

(2)高程糾正。點云數據高程糾正采用三角網法進行,包括采集控制點對應的目標點點云高程、點云高程糾正、精度檢查3個步驟,其原理如圖4所示。首先計算地面靶標控制點位置點云數據與控制點的高差dz,生成覆蓋點云數據的最小外接矩形,再將外接矩形的頂點和控制點進行構網,建立改正模型。

圖4 算法原理

假定改正模型中三角網的3個頂點坐標為(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)及(x3,y3,z3),一般地面靶標控制點之間的距離比較短,可以近似認為每個三角形范圍內高程異常呈線性變化,則可得

由上式可得點云數據高程改正值：

式中,xi,yi(i=1,2,3);dzi(i=1,2,3)為三角形頂點點云高程與控制點高程差值；x、y為點云的坐標；dz為點云的高程改正值。

2 結果分析與評價

為了對實驗方案的成果進行驗證,沿實驗段路面每3 km為一個測段,每個測段抽取1 km,布設檢核點間距為20 m,檢核點位布設在應急車道上,檢核點平面位置采用帶簡易三腳架的RTK進行測,每點測量3個測回,每個測回測量20 s,測回較差不超過5 cm,高程采用四等水準的方法測量,將檢核點成果和點云成果導入Terrasolid軟件,分別對采用不同間距靶標控制點糾正的數據成果進行統計分析。當靶標控制點間距為200 m時,糾正后的路面點云數據成果高程中誤差為1.3 cm,平面位置中誤差為3.9 cm,完全能夠滿足高速公路改擴建的精度要求。糾正處理后路面點云數據的誤差分布如圖5～6所示。

圖5 點云平面誤差

圖6 點云高程誤差分布

另外,分布采用100、200、300、400、500 m間距的靶標控制點間距糾正后的點云成果精度統計如表1所示。

表1 不同間距靶標點糾正后點云精度統計

從以上分析可知,靶標控制點間距越大,糾正后路面點云的精度越低,當靶標控制點間距小于300 m時,糾正后的數據能夠滿足精度要求,靶標控制點間距超過300 m時,糾正后的點云數據精度就難以滿足要求了。所以,在保證成果精度的前提下,綜合考慮可靠性和成本,地面靶標控制點布設間距建議采用200 m,個別布點困難的路段可適當放大距離,但不能超過300 m。

3 結束語

本文對基于車載LiDAR掃描技術的高速公路改擴建勘測的關鍵技術進行了研究,并結合具體工程項目論證了該技術應用于高速公路改擴建勘測的可行性,實現了高速公路既有路面數據的高精度、高效率獲取,并得出了如下結論：

(1)與傳統高速公路改擴建勘測方法相比,車載LiDAR掃描測量技術優勢非常明顯,不僅能夠在不影響道路通行的前提下,快速獲取既有路面數據,又保證了勘測人員的作業安全,必將成為未來同類項目的首選勘測手段。

(2)本文對不同間距靶標控制點的糾正方案進行了對比,得出了比較合理的地面靶標控制點布設方案,即靶標控制點間距宜控制在200 m左右,這樣既能夠滿足精度要求,又能節約成本。

隨著高新技術的不斷發展和多學科融合的不斷深入,LiDAR技術必將成為以后主流的勘測技術手段[11],并且其應用領域也會不斷擴大,對推動測繪技術和勘測技術的發展具有深遠的意義。