李俊鵬

摘 要：本文基于筆者從事公路測(cè)量的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以車(chē)載LIDAR在高速公路擴(kuò)建中的應(yīng)用為研究對(duì)象，詳細(xì)分析了具體的技術(shù)流程，并給出了數(shù)據(jù)處理和精度評(píng)價(jià)結(jié)論，結(jié)合GPS、RTK、車(chē)載LiDAR測(cè)量等新興技術(shù)可以在不影響高速公路交通流的情況下高效獲取精確的道路路面三維信息，為今后高速公路擴(kuò)建勘測(cè)工作提供了一個(gè)新的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：車(chē)載LIDAR 高速公路 擴(kuò)建 測(cè)量

中圖分類(lèi)號(hào)：P258 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）09（b）-0058-02

截至2011年5月，我國(guó)已修建完成高速公路總里程約7 萬(wàn)多公里。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，道路交通量日益增大，早期建設(shè)的高速公路已不能很好地滿(mǎn)足當(dāng)前交通運(yùn)輸需求。為此，國(guó)內(nèi)已有多條高速公路陸續(xù)開(kāi)展了擴(kuò)建工程建設(shè)。然而，不同于新建線路工程，高速公路擴(kuò)建有很多需要進(jìn)一步探索和研究的問(wèn)題。

首先需要解決的就是原有道路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取。實(shí)際表明，僅依靠竣工資料是難以滿(mǎn)足改擴(kuò)建要求的，擴(kuò)建工程對(duì)測(cè)量精度的要求遠(yuǎn)高于新建工程。而待擴(kuò)建高速公路往往交通流量很大，利用工程測(cè)量等傳統(tǒng)測(cè)繪方法存在工作量較大、工期較長(zhǎng)、獲取的地形分辨率低，特別是人員作業(yè)危險(xiǎn)性大等多方面缺點(diǎn)。因此，應(yīng)考慮采用當(dāng)今最新的測(cè)繪技術(shù)手段進(jìn)行勘測(cè)，以實(shí)現(xiàn)快速、高效獲取原有道路實(shí)際平縱線位數(shù)據(jù)及道路兩側(cè)相關(guān)構(gòu)造物信息，為公路勘測(cè)設(shè)計(jì)人員提供高精度的基礎(chǔ)地理信息成果，余紹淮等人以直升機(jī)為平臺(tái)利用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在京港澳高速京石段進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集及處理，取得了較為理想的結(jié)果。

車(chē)載激光雷達(dá)（LiDAR）作為移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)（Mobile Mapping System，簡(jiǎn)稱(chēng)MMS）的最新發(fā)展成果，集全球定位系統(tǒng)（GPS）、激光掃描儀、光學(xué)攝影、慣性導(dǎo)航系統(tǒng) （INS）和計(jì)算機(jī)等眾多技術(shù)于一身，可在車(chē)輛高速行進(jìn)過(guò)程中同步獲取高精度、高精細(xì)的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)類(lèi)型多樣性、定位精度等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量方式，車(chē)載LiDAR在測(cè)繪數(shù)據(jù)采集方式、效率、數(shù)據(jù)豐富度、后期數(shù)據(jù)處理等方面更是有質(zhì)的飛躍，相比于機(jī)載激光雷達(dá)，由于其測(cè)距短，所以獲取的數(shù)據(jù)密度更高、精度更優(yōu)，因此，車(chē)載激光雷達(dá)在高速公路改擴(kuò)建勘測(cè)方面具有很大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

本文以西安至咸陽(yáng)高速公路擴(kuò)建為例，探索了結(jié)合 GPS、RTK、車(chē)載LiDAR系統(tǒng)在高速公路擴(kuò)建勘測(cè)方面的實(shí)際應(yīng)用情況。

1 項(xiàng)目介紹

1.1 測(cè)區(qū)概況

本項(xiàng)目為西安至咸陽(yáng)高速公路某路段擴(kuò)建勘測(cè)工程，全長(zhǎng)20km。已有高速公路按雙向四車(chē)道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，目前計(jì)劃擴(kuò)建為雙向八車(chē)道。要求獲取道路路面平面精度優(yōu)于 5cm，高程精度優(yōu)于2cm的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1.2 技術(shù)路線

本次外業(yè)測(cè)量工作包括車(chē)載Li DAR測(cè)量及平差用靶標(biāo)點(diǎn)測(cè)量，原始數(shù)據(jù)采集完成后，利用地面靶標(biāo)點(diǎn)對(duì)車(chē)載Li DAR測(cè)量所獲點(diǎn)云進(jìn)行平差和精度優(yōu)化，最終保證高速公路路面點(diǎn)云數(shù)據(jù)平面精度優(yōu)于5cm，高程精度優(yōu)于2cm?？傮w技術(shù)路線見(jiàn)圖1。

1.3 外業(yè)測(cè)量

1.3.1 地面靶標(biāo)點(diǎn)測(cè)量

本項(xiàng)目共施測(cè)靶標(biāo)控制點(diǎn)115個(gè)，布設(shè)原則為每單向400m，雙向交叉200m布設(shè)一個(gè)，精度檢查點(diǎn)共測(cè)量19個(gè)。所有點(diǎn)位平面坐標(biāo)以已有公路施工控制網(wǎng)相關(guān)點(diǎn)位為主站利用RTK方法獲取，高程均連測(cè)四等水準(zhǔn)，水準(zhǔn)路線總長(zhǎng)約50km。

1.3.2 車(chē)載移動(dòng)激光測(cè)量

車(chē)載LiDAR系統(tǒng)外業(yè)測(cè)量需要同步架設(shè)GPS基站。結(jié)合已有工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，GPS基站覆蓋半徑不大于15km，為此本次選取兩個(gè)GPS點(diǎn)位同步架設(shè)基站，其距測(cè)區(qū)最遠(yuǎn)端12km?？紤]到不同時(shí)段GPS信號(hào)差異及地物遮擋因素，為保證獲取最優(yōu)的數(shù)據(jù)成果，分別對(duì)雙向車(chē)道進(jìn)行了單向的2次測(cè)量；考慮到保證數(shù)據(jù)覆蓋完整性要求，特選取行車(chē)道和應(yīng)急車(chē)道分別作為行車(chē)路線進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)采集。

1.4 數(shù)據(jù)處理

工程經(jīng)驗(yàn)表明，GPS觀測(cè)條件良好的情況下車(chē)載原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)平面精度約為10cm，高程精度約為5cm，如不進(jìn)行精度優(yōu)化則無(wú)法滿(mǎn)足高速公路擴(kuò)建勘測(cè)對(duì)于數(shù)據(jù)的精度要求。所以在本項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，利用地面靶標(biāo)控制點(diǎn)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了整體平差與精度優(yōu)化，將精度優(yōu)化至平面5cm、高程2cm。之后對(duì)優(yōu)化后的點(diǎn)云進(jìn)行地面分類(lèi)處理，得到地面點(diǎn)。

數(shù)字地面模型（DTM）在公路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要集中在縱、橫斷面和三維公路輔助設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行校正、噪聲點(diǎn)剔除等處理后，得到精確的點(diǎn)云三維坐標(biāo)，可以作為DTM的數(shù)據(jù)源。公路拓寬勘察設(shè)計(jì)需建立一個(gè)僅表現(xiàn)地貌變化高程模型，需對(duì)信息數(shù)據(jù)豐富的點(diǎn)云進(jìn)行篩選?？梢苑謨刹浇TM。

（1）通過(guò)Trident Analyst軟件對(duì)公路特征矢量線（行車(chē)道白線、分隔帶外測(cè)邊緣、路面邊緣等）進(jìn)行提取。（2）采用常規(guī)測(cè)量技術(shù)對(duì)路面外地形進(jìn)行具有針對(duì)性的碎部測(cè)量（主要包括路塹坡底、高邊坡坡頂和坡底及激光掃描盲區(qū)的測(cè)量），檢核路外點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以一定密度提取未受干擾的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

完成以上兩步，采用緯地道路設(shè)計(jì)軟件對(duì)路面特征矢量線和路塹、高邊坡的坡頂、底線進(jìn)行約束，建立精確的DTM，從中提取路線的縱、橫斷面數(shù)據(jù)。

1.5 成果精度及分析

本項(xiàng)目共有19個(gè)評(píng)價(jià)用靶標(biāo)控制點(diǎn)參與了車(chē)載點(diǎn)云精度評(píng)價(jià)。其中，車(chē)載點(diǎn)云平面精度0.028m，最大誤差0.064m；高程精度0.011m，最大誤差0.026m。綜上，平差后的車(chē)載點(diǎn)云平面和高程精度均優(yōu)于5cm和2cm的技術(shù)要求，因此可知由點(diǎn)云提取的路面特征點(diǎn)精度可滿(mǎn)足平面精度5cm、高程精度2cm的技術(shù)要求。

2 結(jié)語(yǔ)

綜上，結(jié)合GPS、RTK、車(chē)載LiDAR測(cè)量等新興技術(shù)可以在不影響高速公路交通流的情況下高效獲取精確的道路路面三維信息，為今后高速公路擴(kuò)建勘測(cè)工作提供了一個(gè)新的技術(shù)手段。雖然車(chē)載LiDAR的手段作業(yè)效率高，但由于獲取的路面激光點(diǎn)間距小于3cm，數(shù)據(jù)量較傳統(tǒng)手段大得多。為此，如何高效、充分利用其成果數(shù)據(jù)，解決與現(xiàn)有高速公路改擴(kuò)建勘測(cè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的有效銜接是下一步需要研究和解決的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

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