高精度測量技術在公路數字化發展進程中的應用探討

收稿日期：2023-10-20

作者簡介：任麗娜（1982—），女，本科，高級工程師，從事公路工程管理、公路工程檢測工作。

摘要 隨著我國公路工程規模的擴大，傳統公路檢測方法已無法滿足公路工程項目需求，因此需引入高精度測量技術，提高公路工程檢測效率。基于此，文章分析了傳統公路檢測、資產管理工作的不足，介紹了高精度測量技術在公路數字化發展進程中的應用目的及意義，探討了高精度測量技術的主要特征及高精度測量技術在公路檢測中的應用，旨在為實現公路工程測量的信息化、自動化、數字化提供技術參考。

關鍵詞 公路工程項目；高精度測量技術；公路檢測；數字化發展

中圖分類號 U412.2文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）01-0183-03

0 引言

隨著科學技術的發展，公路工程規模的擴大，傳統的公路檢測方法已經不能滿足公路工程項目的需求，需引入高精度測量技術，提高公路工程檢測效率。高精度測量技術是指利用先進的測量設備和方法進行高精度、高效率、高自動化的公路工程測量，獲取三維坐標、形狀、尺寸等信息。在公路檢測中應用高精度測量技術可以實現公路工程項目的全面、快速、準確、可視化檢測，為公路工程項目建設、運營、維護提供更多的數據支撐及決策依據[1]。

1 公路項目高精度測量技術的數字化發展目的及意義

公路資產的管理水平直接影響公路的通行安全。為提高公路資產的管理效率，需采用高精度測量技術，實現對公路資產的精細化、數字化、可視化的檢測和盤點。現階段，我國公路資產數據主要依賴人工采集，對于里程較長的公路資產無法做到精確測量，沒有實現數字化管理，數據采集效率低、耗時耗力且容易出錯。因此，高精度測量技術在公路檢測中的應用，需實現的目標為：

（1）全面、快速、準確地檢測并盤點公路資產，提供更多的數據支撐、決策依據[2]。

（2）實現公路病害的自動化、精細化、多類型、高準確率、全覆蓋式的檢測和管理，提高公路工程管理水平，實現降本增效。

（3）優化公路養護決策，將有限資金投入關鍵的基礎設施建設、維護領域，有效提高資源配置效率。

2 公路項目高精度測量技術擬解決的關鍵問題

2.1 數據不夠豐富準確

傳統的公路檢測方法主要依靠人工或者低精度測量設備采集公路資產數據。首先，人工采集方法數據量小，無法覆蓋公路全貌，只能獲取部分信息，導致數據不完整。低精度測量設備，如普通相機、激光測距儀等也只能獲取目標的二維信息或單點信息[3]，無法獲取目標的三維信息，導致數據不全面；其次，數據質量差，易受人為或環境干擾，導致數據錯漏，影響數據可信度；最后，數據更新慢，無法及時反映公路的實時狀況，影響公路管理的時效性，導致數據與實際情況存在較大差異。

2.2 自動化水平低

傳統公路檢測方法需大量的人力、物力投入，成本高效率低。同時，由于人工檢測涉及多個環節和多個人員，如采集、記錄、傳輸、存儲、分析等，每個環節都可能出現主觀錯誤。此外，人工檢測時，檢測人員需在公路上行走或駕駛，會與公路上的其他車輛、行人產生交互，可能會發生碰撞、刮擦、傷害等事故，危及檢測人員的安全[4]。

2.3 數據標準不統一

由于各地區、各部門、各單位在公路檢測方面缺乏統一標準，導致公路數據的格式、內容、結構、編碼等存在差異，給數據的整合、共享、分析和應用帶來困難。不同的測量設備或方法可能產生不同的數據格式。不同地區或部門可能對公路資產、病害的定義、分類、編碼等有不同的標準，導致數據的內容存在沖突，影響數據準確性。不同的平臺或軟件對于公路數據的編碼、解碼、加密、解密等有不同算法，導致數據編碼不兼容，甚至影響數據的安全性。

3 高精度測量技術的特征

3.1 設備測量精度高

高精度測量技術使用的測量設備，如DGPS/INS組合導航系統、多傳感器一體化系統、圖像識別和測量系統等，都具有較高的測量精度，能夠實現毫米級或亞毫米級測量，保證數據精確可靠[5]；DGPS/INS組合導航系統可以實現對車輛位置和姿態的實時動態定位定姿，其定位精度可達到厘米級，姿態精度可達到0.01°。

3.2 自動化程度高

高精度測量技術可實現對公路資產和病害的自動化采集、識別、提取、測量和分析，大幅降低人力和物力的消耗，提高檢測效率及質量。例如，多傳感器一體化系統可以將激光雷達、相機、慣性導航等多種傳感器集成在一起，實現對公路資產和病害的同步采集；圖像識別和測量系統可以利用深度學習等人工智能技術，實現對公路資產和病害的智能識別、提取和測量[6]。

3.3 豐富圖形屬性信息

高精度測量技術可以獲取目標的三維坐標、形狀、尺寸、顏色等信息，形成豐富的圖形屬性數據，為公路管理提供更多的數據支撐和決策依據。例如，激光雷達可獲取目標的三維點云數據，相機可以獲取目標的紋理圖像數據，慣性導航可以獲取目標的姿態數據，基于數據融合、渲染和可視化等技術生成檢測目標的三維模型，通過數字地球平臺進行展示[7]。

3.4 實用高效

高精度監測技術利用現代科技手段進行目標地點周圍的精確測量分析。可在短時間內獲取目標地點的各種信息[8]，如位置、距離、高度、地質、環境等，通過算法分析信息生成直觀的測繪圖，幫助測量人員了解目標地點的地形、地貌、地物等特征。該技術可應用于多個領域，如軍事、工程、勘探、旅游等，具有良好的適用性。

方便進行特定的公路勘測，測量圖中含有的報警信號、地形信息，有助于決策者進行安全防范，減少事故的發生。此外，像全站儀這樣的數字測量技術中所采用的設備，能夠對公路勘察的全過程進行監測，從而保證了施工的安全性，有助于提升測量工作效率。傳統測量依靠人工或機械方式進行目標測量，需花費較長時間，易出現誤差，難以滿足不斷提高的數據需求。而高精度數字測量技術利用數字化設備、軟件進行目標測量，可節省大量時間，提高工作效率，適應多種場景，如公路工程、城市規劃、資源開發等[9]。

4 高精度測量技術在公路工程檢測中的應用

4.1 DGPS/INS組合導航高精度定位定姿技術

利用衛星差分原理、慣性導航系統實現高精度定位定姿，采用衛星接收機消除大氣延遲、多路徑效應、衛星軌道誤差等因素的影響，從而獲取厘米級的絕對位置信息。能在復雜的地形、環境中提供穩定可靠的導航服務，為車載移動測量采集系統提供重要基礎。同時，使用慣性導航系統，提供0.01°的姿態信息。由于衛星信號可能受到遮擋、干擾等影響，導致失鎖現象，因此需要采用緊密組合工作方式融合DGPS、INS數據，利用自適應卡爾曼濾波器算法，估計并校正導航誤差，輸出穩定的定位定姿數據。該技術的關鍵步驟是：首先，研究DGPS和INS的誤差特性，并建立相應的數學算法模型；其次，設計合理的自適應卡爾曼濾波算法模型，實現DGPS和INS數據的緊密組合；再次，研究前后向校準和RTS濾波等后處理算法，進一步提高數據處理精度；最后，通過實際測試數據，驗證該技術方法的有效性，從而實現車載移動測量采集系統中的高精度定位定姿。

4.2 多傳感器一體化高精度標定技術

該技術利用多種傳感器，如激光雷達、相機、慣性導航等，組成一個多傳感器一體化系統，實現對公路資產和病害的同步采集。為保證不同傳感器之間的數據一致性，需進行傳感器高精度標定，即確定傳感器之間的相對位置、姿態關系。傳統的標定方法一般需使用標定板或標定場地等外部參考物，耗時耗力且精度不高。為解決這個問題，可采用基于自適應濾波算法的無參考物標定方法，即利用傳感器在運動過程中自身采集到的數據進行標定，無須使用任何外部參考物，從而提高標定的效率及精度。

4.3 高精度測量數據渲染和可視化技術

該技術利用圖形學、計算機視覺等方法渲染多傳感器一體化系統中獲取的數據，實現數據可視化，即將數據轉換為圖像、視頻等多媒體形式，方便人們觀察分析。

4.4 高精數據渲染

高精數據渲染技術包括高精數據反投、海量數據存儲兩個方面。高精數據反投是指根據軌跡點的POS信息（位置和姿態信息）、相機參數（焦距、視場角等）和圖像，將高精數據還原到原始場景中形成連續視頻畫面；大規模數據存儲是高精度數據的產生源頭。為進行大數據采集，需建立大數據庫，用于存儲、檢索各種類型的公路數據，包括結構化的數據，如公路的位置、距離、高度等。非結構化的數據，如公路的地質、環境、地物等，基于大數據進行有效公路管理，為高精度測量技術提供數據支持。

4.5 公路三維可視化與數字地球

是將公路工程的設計、施工、運營、養護等信息與地理空間數據相結合，利用三維地理信息系統（GIS）進行可視化展示、管理的技術。該技術利用精準地球三維數據，結合計算機圖形技術，實現公路三維可視化，更好地展示、管理公路工程。將公路的形狀、位置、屬性等信息以三維形式展示，可為公路規劃、設計、建設、管理等提供直觀有效的支持。

4.6 圖像識別和測量技術

該技術利用人工智能和機器學習等方法識別測量多傳感器一體化系統獲取的數據，即自動識別出圖像或視頻中的公路資產和病害，測量其位置、尺寸、類型等信息。圖像識別和測量技術包括以下幾個方面：

（1）目標識別與定位。目標檢測是圖像識別領域的一種技術，可在原始圖像上找出并分類不同的目標。多尺度目標檢測能夠處理不同大小、形狀的目標，通過在連續圖像上穩定檢測、定位目標，輸出目標的坐標，利用多類別分類算法精準分類檢測到的目標，從而實現目標識別與定位。該方法能夠精確測量公路上的車輛、行人、障礙物等目標，為公路損壞程度判斷提供參考依據。

（2）目標精細提取。目標精細提取是一種圖像處理技術，能夠從圖像中獲取目標的詳細像素信息，是分析、識別目標特征屬性的重要手段。例如，公路病害檢測中需進行裂縫病害的目標精細提取，以便了解裂縫的形狀、大小、方向和位置等信息。為實現目標精細提取，可使用圖像語義分割技術，將圖像中的每個像素分配到不同類別。公路病害監測中可將圖像中的像素分為病害、非病害兩類，從而實現裂縫病害的目標精細提取。

（3）目標精準測量。提取目標信息，測量目標大小，根據測量結果進行目標的分類、定級。不同的目標有不同閾值，超過閾值時，目標需修復或更換。采用傳感器獲取圖像，如激光傳感器獲取點云數據，通過圖像處理、點云配準的方法實現目標精準測量。由于不同的病害有不同的大小、形態和精度要求，需針對每種病害設計適合的測量方案，通過分析病害的特點和需求選擇最優的視覺、激光測量方案。

4.7 原圖數字化處理技術

（1）降低成本，高精度測繪技術是以數字測繪技術為基礎，但傳統測繪受到工程經濟條件的制約，為了減少測繪費用，很多企業都選擇了數字測繪技術。這種方法既能縮短掃描儀器的使用周期，又能節省費用，并達到最佳的圖像處理效果。為此，在公路測繪中采用數字測繪技術，對原始地形圖進行數字化處理是一種重要手段。

（2）進一步改善了精度，將原始圖像數字處理用于應急處理中，采用掃描向量化方法，具有很高的準確性、高效性。然而，在實際應用中，作業人員易產生錯誤作業，從而導致地圖繪制精度下降，且僅顯示白紙圖，不能反映復雜地形。因此，單一的掃描矢量化方法僅適用于緊急情況，而采用掃描矢量化與其他手段相結合的方法，可以有效地提高繪圖的精度。

（3）野外測點，外業測點技術可以對破損的原始地圖和資料進行修復，在實踐中經常與數字縮放技術相結合。

（4）圖層劃分處理，針對多樣復雜地形信息進行分類分層處理，保證圖形信息完整清晰。該技術將數字化圖形按照不同的屬性特征劃分為不同的圖層，如道路、建筑、水域、植被等，編輯調整圖層，使其符合實際情況。

5 結論

綜上所述，高精度測量技術可以實現公路數據高效采集與處理，根據需求生成不同的數據規格，包括全量數據包、增量數據包，有利于數據的發布更新。該技術能對數據進行全要素數據質量評估，檢驗數據一致、完整性，發現并糾正數據的錯誤，確保數據準確可靠。高質量的公路數據是公路資產管理、數字化養護的重要依據，能夠幫助相關部門對公路資產和病害進行數字化管理養護，實現公路的優化配置，提高公路維護保養水平。此外，該技術可促進數據統一進程的加速，推動數據融合與共享的發展，實現公路行業的信息化、智能化。

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