1、技术应用科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年9期机载三维激光雷达技术在道路测量中的应用，改变了以往公路勘测设计的传统方法，进一步提高了测量效率，保障测量数据精准度，推动整体工作质量的提升。1机载三维激光雷达技术概述机载三维激光雷达技术是一种新型的空间信息采集技术，主要是利用发射高频率激光脉冲，对目标区域内的地位展开扫描作业，这样可以采集大量的地面点云信息，如目标物体的三维信息、几何结构和弱纹理等信息内容。按照搭载平台的不同，激光雷电系统包含星载、机载、车载和地面等类型，其中机载激光雷达的应用较为广泛。机载三维雷达测量系统对雷达技术、
2、全球定位系统和惯性测量技术等进行综合整合，并以无人机为搭载平台，可以对地面地形数据进行高效快速的采集，而且数据精度比较高。该系统能够获得大量的点云数据，而且其数据精度较高、数量丰富，在运行过程中不会受到外界因素干扰，其精度可以达到微米级，可以对地物进行高精度还原，为建模创建良好条件。机载激光雷达测量系统工作原理如图 1 所示。激光脉冲信号经过激光脉冲二极管出发，并通过灵棱镜转向目的地，然后由探测器接收其反射得到的信号，通过设备进行记录。并将其格式转化为可以识别的数据资料，通过专门的软件分析后，能够得出实体模型。随着高新技术的发展，高精度动态差分 GPS、惯性导向系统技术水平越来越高，可以利用影
3、响机载激光雷达测量技术的误差进行误差处理，从而获得高精度的激光点云数据。图1机载激光雷达测量系统工作原理图2机载三维激光雷达技术优势机载三维激光雷达技术是对多种先进技术融合的结果，具有较高的应用优势，如数据密度较高，机载激光点云的采集间距不大，通常为 1 m 左右。根据具体的需求还可以相应地缩小该间距。在这样的采集条件下，机载 GPSZYXXYZINSZYXGPS激光扫描仪惯性测量系统SSS基准站机载三维激光雷达技术在道路测量中的优势及应用实践研究张友超（山东省地质测绘院，济南 250002）作者简介：张友超（1990-），男，硕士，工程师。研究方向为摄影测量与移动测量。摘要：机载激光雷达测量
4、技术是一种新型的航空测量技术，具有独特优势，尤其是在道路勘察测量工作中发挥重要作用。该文主要对机载三维激光雷达技术在道路测量中的应用实践进行探究，旨在进一步提高道路测量工作效率和质量，推动道路工程施工设计水平的提升。关键词：机载三维激光雷达技术；道路测量；优势；应用实践；关键问题中图分类号：P225文献标志码：A文章编号：2095-2945（2023）09-0185-04Abstract:Airborne LiDAR measurement technology is a new type of aerial survey technology,which has unique advanta
5、ges,especially plays an important role in road survey.This paper mainly explores the application practice of airborne three-dimensionalLiDAR technology in road survey,in order to further improve the efficiency and quality of road survey and promote the level ofroad engineering construction design.Ke
6、ywords:airborne 3D LiDAR technology;road survey;advantages;application practice;key problemDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.09.046185-2023年9期技术应用科技创新与应用Technology Innovation and Application数据密度显著提升，在真实地面高程模型的建立中有极大的优势。而在传统的数字地面模型（DTM）测量中，平均点的间距在 25 m 左右。可知，机载激光雷达（LiDAR）测量技术有着更高的数据密度且精确度相对较高，该方式主要通过激
7、光测量获得机载激光点云数据。其理论高程精度可以达到 0.1 m，平面精度可以达到0.15 m；空三定位更为先进，该技术融合了多种先进技术，包括惯性导航技术（IMU）、全球定位系统（GNSS）等，空间定位更为精准，打破了传统航测中必须展开大量地面像控点校正的工作模式；抗干扰的能力更好，该技术不会受到太阳高度、阴影等因素的影响，穿透植被的能力也更强。在此基础上，道路三维测试中的数据精度、真实度更高，数据处理速度也更快，一般来说，10 d左右就能够完成 100 km 的公路测量；智能化、数字化水平较高，能够利用全数字形式进行测绘，直接获得数字长度信息，而且能够对数据信息进行稳定性、便利化和智能化描绘
8、；具有及时性和主动性，能够勘测自己发出的激光脉冲信号，并接收反射信号，以此来对目标物样貌进行描绘，不受时空因素的限制，误差较小；不需要接触目标物，就获得实体的矢量化立体信息，在不接触被测物的情况下对目标物展开精准测量，并能够一次性完成测量任务，对目标物原型进行高效还原，可以代替工作人员对危险地段进行目标物扫描测绘。3机载三维激光雷达技术在道路测量中的应用在利用机载三维激光雷达技术对道路实时测量时，需要应用到大比例尺线划图、数字高程模型（DEM）和线路纵横断面数据。利用该技术进行道路测量可以提高测量设计效率，保障道路设计质量，其中主要的作业流程如图 2 所示。图2机载三维激光雷达技术在道路测量中
9、的应用流程3.1采集参数选择机载激光雷达测量功能在具体应用中具有独特的参数特点，主要涉及激光点间隔、激光重叠度、影像地面分辨率和飞行高度等，这些参数的有效性应用充分体现了激光雷达数据测量、采集功能的独特性。其中激光点间隔是利用平均点间隔距离或者点数进行表示的，通过这种方式可以对最终地面点的差值精度产生直接影响。当点云密度值达到标准要求后，随着后期处理工作量的持续性增加，点云精度会越来越大，这种情况下由于分类错误引起的误差也会逐渐增大，基于需要结合工程实际情况，对相关数据进行科学处理，全方位管控，避免出现边缘变形误差问题，同时在展开后期处理数据作业时，需要对重叠区域的激光点进行剪切去除。基于此，
10、在地形起伏程度较小的情况下，需要对航线旁向的重叠度进行合理控制，一般为 22%左右，从而满足使用需求。地面分辨率与成图比例尺直接关联，可以通过这种途径对像素代表地面的实际距离进行详细描述和呈现。飞行高度设计和成图的精度息息相关，同时也与激光设施设备、测区地形等紧密相联。因此，需要结合工程具体情况，对相关参数展开全方位、多角度的计算和详细分析。在现代化科学技术发展背景下，激光器校验技术越来越精确，飞行高度对激光精度的限制不断减小。机载激光雷达测量数据处理流程如图 3 所示。图3机载激光雷达测量数据处理流程3.2辅助地面控制测量激光点云的高程精度在机载激光雷达测量中占据关键作用。通常情况下，需要设
11、置契合性的地面基站，才能保障机载激光雷达测量的顺利开展，同时与地面控制测量的部分因素息息相关，如地面基站精确度、坐航飞设计数据检校坐标转换激光点分类建立 DEM数字正射影像图（DOM）制作数字线划图（DLG)绘制原始影像相片外方位元素激光点大地定向DGPS 解算INS/GPS联合解算偏心距精确基站坐标航飞数据获取INS/GPS/影像/激光点GPS 基站数据获取距离位置INS 原始数据激光测距数据激光斜距和光束方向动态 GPS轨迹位置原始数据的预处理（积分）GPS 双频接收机（飞机、地面参考站、IGS 精密星历）GPS 单频接收机（飞机上四台、IGS精密星历）姿态INS 姿态角解算GPS 姿态角
12、解算三者间时间同步，计算地面激光脚点的位置（X、Y、Z），包括坐标转换等改正后的姿态角（消除陀螺漂移等）原始的离散激光雷达测量数据文件（平面、高程、强度等信息）数据滤波、分类、分割格网内插（规则、TIN）或栅格化（距离图像）基于各种知识的距离图像处理（目标识别、地物提取、数据融合等）粗差探测与剔除原始的在地球参考框架下的激光测高数据校正仪器安装误差基准变换（坐标系统，大地水准面差距，投影）以求解航迹的那台接收机为基准，动态求解每台接收机的位置186-技术应用科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年9期标转换、水准面拟合精度和卫星分布情况
13、等。但是在机载激光雷达飞行中，对辅助地面基站测量工作的依赖性逐渐降低，然而技术难度增加，对等级、精度测量提出了更高的要求。3.3DOM和DEM制作利用 POM 数据信息，可以对外方位元素、相机参数迭代计算、影像镶嵌和影像点云匹配等，能够精准制作数字正射影像图（DOM），而且分辨率比较高，在道路测量设计可行性论证、初步合计和施工图纸设计中发挥了重要作用。利用 DOM 还可以分类判断点云数据，并对地物进行提取，并将其导入到专业软件中，形成数字地形图 DEM。3.4数字线划图（DLG）绘制在线路三维设计软件运行中，需要应用到 DLG 成果。但是机载三维激光雷达技术在应用中配备的数码相机并不是专业的航
14、摄相机，其 CCD 幅面比较小，难以利用立体测图的方式精准绘制大面积数字线划图（DLG）。通常情况下，需要通过 DEM 自动生成等高线、高程点，同时通过数字模型（DSM）对电力线、通讯线等信息进行提取，然后融合 DOM 对道路、房屋和水系等重要地物要素进行矢量化处理，绘制 DLG 图，同时按照野外调绘位置，对地下管线进行精准描绘。对机载三维激光雷达技术相对敏感的地面上，电力和通讯线等地物信息可以从影像上直接获取，也可以通过特定算法获取矢量图。针对植被覆盖较为严重的区域可以减少人工外业调绘作业。3.5断面数据采集在道路测量设计工作中，横断面的测量任务非常重要，断面是计算工程数量的重要数据依据，只
15、有提高断面数据的测量精度，才能保障工程数量计算的精准性。在以往的道路测量工作中，往往需要人工野外采集，劳动强度较大，整体效果效率低，危险区域的数据难以准确性采集。而在机载三维激光雷达测量技术的应用背景下，可以对激光点云进行详细划分，即使是针对植被覆盖较为密集的区域，也能够采集较为精准的 DEM，从而解决传统航测技术中的难题，在高精度 DEM 的基础上，对道路上任意点的横断面进行批量测绘，简化断面采集流程，提高整体工作自动化，缩短工作时长，提高数据采集效率和精准性，减少野外测量的人为失误。3.6数字地面模型测绘数字地面模型测绘，可以为道路勘测设计作业提供纵横断面数据，同时可以为三维道路辅助设计通
16、过基础地理数据。数字地面模型包含 3 种数据源：摄影测量、地形图数字化和野外实测。地形图数字化由于受到地形原图精度、扫描矢量化精度等因素的影响，难以满足道路勘测设计的精度和速度要求；野外实测的测量精度比较高，但是测量速度不高，尤其在重丘、山地等地形中难以有效应用；摄影测量技术可以提供高精度的带状地形图，并可以建设数字地面模型，而且其精度与速度比较高，可以满足道路勘测设计的精度与速度要求，但是较易受到天气、植被和地形干扰。利用机载三维激光雷达技术可以对摄影测量技术问题进行有效解决。4机载三维激光雷达技术在道路测量中的关键问题4.1航摄飞行设计这是激光雷达航摄工作中的关键环节，只有做好航摄设计才能保障道路测量工作的顺利开展，并保障采集数据的可行性，促进数据采集成果的精度。在具体的航摄飞行设计之前，需要对测区的地形、地貌、机场位置和气象条件等具体状况进行充分调查和分析，才能提高项目成果数据精度，并满足安全、经济、周密和高效等要求。在具体实施中，需要按照三维激光雷达设备自身的特点，包含镜头焦距、曝光速度、激光扫描仪扫描角、扫描频率和功率等，并对航带重叠度、激光点距及影像分辨率等进行综合考量，从