現代測繪技術在公路工程勘測設計中的應用分析

劉士遠

（黑龍江省交通規劃設計研究院集團有限公司，哈爾濱 150080）

1 引言

互聯網絡、信息技術、智能技術的發展，有效推動了現代測繪技術的創新與發展。以往在進行工程勘測設計時，主要采用人力“跑圖”方式開展測繪工作，整體效率低下，還很容易引起各種安全事故。同時在獲得測繪數據后，同樣需要進行海量的計算分析，計算結果很容易受人為誤差的影響，不利于測繪工作質量水平的提升，因此，加強現代測繪技術的應用有著十分重要的現實意義。

2 現代測繪技術的發展

伴隨著現代測繪技術的發展，測繪作業開展方面出現了很大的變化。比如，在現代測繪技術中，涌現了很多數字化、信息化測繪技術，比較典型的包括“3S”測繪技術。除此之外，還出現了無人機激光掃描測量技術、無人機傾斜攝影測量技術等。上述這些技術的存在，打破了傳統測繪技術受客觀地形、水文環境等條件的限制，能夠在空中實現對工程內容的測量，在顯著提升了測量效率的同時，更有利于保障工程項目勘測設計質量。

對無人機激光掃描測量技術而言，該項技術通過無人機+激光測距+高清同軸相機，可以在控制完整地記錄測量被目標對象表面反射點的坐標、反射率、色彩和紋理等信息，最終可以形成三維點云，能夠快速實現測量對象目標的三維重現。并且與傳統測繪技術如鋼尺量距、全站儀等相比，無人機激光掃描測量技術的存在，可以顯著提升測量效率。同時通過該項測繪技術可以精準地獲取被測物體的高精度點云和高分辨率色彩，因此，可以更好地滿足被測物體幾何結構和紋理信息采集的需求。基于獲得的測繪信息，可快速完成結構復雜、不規則的場景的三維可視化模型的構建，便于工程測繪人員獲取更全面的信息。在后續進行測繪數據處理方面，也可以利用相關先進的數據處理軟件對測繪數據進行批量處理，有效減輕后續“內業”測繪數據處理工作量，這對公路工程測繪效率提升也有著較為積極的影響意義。最后，工程測繪人員還可以運用無人機激光掃描測量技術，獲得一些分辨率較高的公路工程航空圖像信息，隨后利用這些圖像數據，完成公路工程數字工程建模與線路規劃圖的制作，有效提升公路工程勘測質量水平。

對無人機傾斜攝影測量技術而言，傳統無人機航空攝影測繪通常只能夠從垂直角度出發，完成對地物對象的拍攝測繪，獲取測繪數據的角度、方式比較單一。而對無人機傾斜攝影技術而言，由于在無人機上搭載了多個攝像頭以及傳感器，因此，可以從垂直角度、側視角度等多角度完成對地物對象的測繪數據的獲取。將該技術應用于公路工程勘察設計中，可以有效確保獲取相關測繪數據的準確性與完整性。在獲得相關的測繪數據成果后，測繪人員可以從相應模型出發，抽取各種格式的測繪輔助數據，如DEM 數據、DSM 數據、DOM 數據等。不僅如此，圍繞所獲得的測繪數據成果，可以從中導出高密度點云與圖像，這些信息與原始數據有著非常高的匹配度，從而為公路工程勘測設計工作開展提供非常重要的幫助[1]。比如，結合具體的點云與圖像信息，勘測人員可以對現場復雜的地形有全面的了解與認識。除了可以獨立運用傾斜攝影測繪數據成果以外，還可以將該測繪成果與其他技術組合運用，如可以與遙感技術進行組合運用，測繪人員可以直接從云端平臺獲得公路工程測繪區域的圖像信息，從而為工程勘測設計工作開展提供良好的幫助。

總之，在上述現代測繪技術的幫助下，可以實現公路工程勘測設計泛在測繪工作的開展。即上述一系列先進的現代測繪技術的應用，減少了測繪作業對相關專業理論知識的依賴，相關人員可以在規范的操作程序指導下，不需要了解內部測量技術原理，也可以保質保量地完成測繪作業工作，獲得更高精度的測繪數據信息，為公路工程勘測設計以及后續的建設提供充足的數據信息支持。

3 公路工程勘測設計現狀分析

從公路工程勘測設計現狀來看，一些勘測人員依然在采用傳統的測繪技術，如GPS-RTK 測量、水準測量、全站儀測量等方式。上述測繪技術的應用，需要測繪人員負責完成大量的測繪外業工作，不僅很容易受到客觀地形因素的影響，導致整體測繪工作開展效率低下，還很容易出現摔傷等安全事故，且因為客觀地形限制，一些測量區域無法抵達，導致獲得的數據信息不完整，這必然會影響公路工程勘測設計質量水平。為改善上述限制，應加強對無人機激光掃描測量技術的應用，從而不再受限于地形水文條件，可以獲得更全面的測繪信息，并根據設計要求，全面了解測繪區域地形圖、公路橫縱斷面等信息。基于此，針對現代測繪技術在公路勘測設計中的應用，本文以無人機激光掃描測量技術應用為例，闡述現代測繪技術在公路工程勘測設計中的應用，最終獲得的測繪成果不僅可以滿足公路工程勘測設計的需求，還能夠用于公路工程路線方案設計的對比與優化。

4 現代測繪技術在公路工程勘測設計中的應用

4.1 無人機激光掃描測量系統技術參數選擇

無人機激光掃描測量系統，集成了諸多系統技術內容，除包括激光測距系統技術以外，還包括GNSS 差分定位系統、INS 姿態測量系統等，最終目的是獲得精度更高的測繪數據信息。為了實現這一目標，做好無人機激光掃描測量系統技術參數的選擇非常重要。在這一過程中，應注重做好各種精度指標的分析，從而確保最終獲得的激光點云有著較高的精度。事實上導致無人機激光掃描測量系統測量誤差的因素有很多，如激光測距不準確，掃描角度不合理，GNSS 定位不準確，IMU姿態測量不合理等。因此，在具體應用無人機激光掃描測量技術前，必須要明確相關的誤差要求，才能消除上述誤差因素影響。通常而言，要求激光測距誤差在5 cm 以內。在實踐中，掃描角誤差可以忽略不計，但GNSS 定位必須要準確，要求定位平面精度誤差不得超過5 cm，高程定位精度誤差不得超過10 cm。在IMU 姿態測量誤差控制方面，則需要對整個系統進行校驗，做好誤差補償工作。具體而言，隨著無人機行航高的增加，姿態角的誤差對激光點坐標定位帶來的影響也會越大，并且與高程誤差相比，對平面誤差帶來的影響更大[2]。同時在航高不變的情況下，伴隨著掃描角度的增加，IMU 測角誤差對激光點航向定位和高程帶來的影響也會隨之變大。同時掃描角度的變化不會對方向定位精度帶來誤差影響。基于此，在應用無人機激光掃描測量系統時，要求側滾、俯仰角測量精度技術參數應在0.010°以上，航偏角測量精度技術參數不低于0.015°。此外，在進行無人機激光掃描測量系統技術參數選擇時，還應關注脈沖重復頻率這一技術參數，要求該數值盡可能提升，如此可以有效確保最終獲得的測繪激光點云密度更大，測繪信息更詳細。

4.2 無人機激光掃描測量系統數據獲取與CAD協同設計

從現實情況來看，采用無人機激光掃描測量系統進行公路工程勘測設計作業時，實際有效飛行作業距離相對較短。因此，在實際應用的過程中，需要選擇分區飛行的方式，獲取更加全面的數據。與此同時，為了防止無人機在飛行時發生事故，要求加強無人機跨線飛行距離控制。一般不得超過1 km。無人機每次作業飛行時間不得超過20 min。無人機的航線總長度應小于7 km。結合公路工程勘測區實際情況，預先完成無人機起降飛行場地的選擇。要求選擇的場地地形平坦，視野開闊，不存在高功率信號的干擾。同時還應考慮實際的天氣情況，選擇在晴天、無云、風力較小的時間段開展測量工作。在無人機正式起飛前，還應注意檢查飛機電池是否滿電、遙控器是否操作正常、控制平板電腦設備是否運行正常，從而確保整個設備狀態完好。在確認一切狀況良好后，無人機正式開始起飛。為了獲得較高的地面反射點云密度，應將無人機激光脈沖頻率設置為最大值。

在完成無人機激光掃描測量系統數據獲取后，還需要對數據進行預處理。在這一過程中，需要將GNSS、IMU 等數據進行融合，然后再進行計算分析，可以獲得航線位置以及姿態信息。在此基礎上，還需要結合測距信息，最終可以獲得原始的公路工程勘測區域激光點云信息。針對這些激光點云信息，還需要采取一系列后續處理措施，如需要對數據進行去噪、濾波、坐標轉換等處理，才能獲得可用的、密集的地面點云信息。最后，還需要利用專業的軟件，將上述點云信息轉化為實用的數字正射影像圖（DOM）、數字線劃地形圖（DLG）等，用于滿足公路工程勘測設計要求。比如，公路勘測設計人員可以將上述測繪數據信息融入CAD 系統之中，以此來實現對公路平面、橫斷面設計，做好不同路線規劃方案的優化與比選，以此來實現無人機激光掃描測量系統與CAD 的協同設計。

4.3 無人機激光掃描測量系統應用實踐效果

4.3.1 工程項目概況

為了檢驗無人機激光掃描測量系統在公路工程勘測設計中的應用效果，本文結合某公路工程項目進行分析。鶴崗至哈爾濱高速公路是《國家高速公路網規劃》中“縱一線”的聯絡線，路線全長468 km，途經鶴崗、伊春、鐵力、綏化、哈爾濱，連接了多條國省干線公路，形成了顯著的網絡效應。其中伊春至哈爾濱段已建成通車，當前僅鶴崗至伊春段尚未建成，現對鶴崗至伊春段高速公路建設工程進行勘測設計。

4.3.2 無人機激光掃描測量應用

在本項目中，采用了旋翼無人機設備，用于激光掃描測繪。其中測距精度控制在15 mm，最大有效點頻10×105點/s。在位置精度方面，平面精度為10 mm，高程20 mm。俯仰、翻角標稱測量精度為0.005°。航偏角為0.013°。該勘測區域以帶狀地形為主，不僅有著較大的長度，同時寬度數值較小。因此，在采用無人機激光掃描測繪時，只需要往返一條航帶便可以完成測繪作業工作。在測繪數據采集方面，可以選擇設計線位中線兩側各約150 m 范圍內的數據。在航線規劃方面，綜合考慮多種因素，本次無人機起飛分為2 個架次，每個架次約5～6 km，設置了一個起飛場。在相對航高處于135 m 時，能確保航線下方最低處的點云密度在35 個/m2以上。影像地面分辨率為0.1 m。在地面基站建設方面，本項目采用了雙站模式，在測區內，選擇了2 個首級控制點，通過雙頻接收機完成地面基站的架設。

4.3.3 應用效果評價

為了對本次測繪獲得的激光點云精度進行評價。沿著整個測區，布置2 516 個高程檢查點。在這一過程中，搭配了GPS-RTK 測量方法，完成其平面和高程坐標的測量。從本項目測繪結果來看，激光點云與實測檢查點有著非常高的吻合度，證明激光點云有著較強的精度[3]。同時為了對獲得的激光點云進行量化評價。通過本項目設置的2 516 個檢查點，確定其實測高程，然后與激光點云內插高程進行對比，最終結果表明，最大高程誤差0.371 m，最小高程誤差－0.323 m，中誤差0.120 m，誤差均值為－0.040 m。說明本次激光點云有著良好的精度，表明應用無人機激光掃描測量效果良好，可以高效生成設計人員所需的道路橫斷面數據，用于公路工程路線方案設計與優化。

5 結語

總而言之，在公路工程勘測設計過程中，無人機激光掃描測量技術發揮著非常重要的作用價值。因此，要提高對無人機激光掃描測量技術的重視程度，認識到該項技術所具備的優勢特征，同時結合實際工程項目，加強對無人機激光掃描測量技術的應用實踐分析，從而為公路工程勘測設計提供充足的信息支持。