摘要：无人机航测技术与无人机激光扫描技术互取其优点，在低等级公路测量中，提高了测量精度，降低了测量成本，并缩短了勘察设计周期。本文主要介绍了无人机机载激光测量在低等级公路勘测中的应用。
关键词：航测；机载激光；GNSS；勘测
1前言
随着无人机技术发展、航测的成本降低，在地形较为复杂的低等级公路中，低空大比例尺航测技术逐渐应用起来。但航测技术一方面难以克服光学成像中地形陡峭区域阴影造成的地形数据难以获取问题，另一方面，高覆盖率的地表植被导致地面数据精度较低对，其深度只能达到公路初测阶段的方案比选要求，用于定测与施工图设计还需要补充大量的人工地面测量。本文借助机载激光测量在南靖县奎洋至梅林公路勘测中应用，为复杂地区低等级公路的测量探索出一套经济可行技术解决方案。
2概述
福建省南靖县奎洋至梅林公路是“中设设计集团”并购“宁夏公路勘察设计院”后，宁夏院在外省独立完成的第一个勘察设计项目。原道路为乡村道路，拟改建为三级公路，路线长约34km。项目建成后与区域内其他旅游线路组成旅游道路网，可以解决田螺坑土楼群、裕昌楼、云水谣等景点间的互联通行问题，对推动当地的旅游发展具有重要意义。
图1 项目位置图
拟建项目地处福建省东南部，属闽东南构造剥蚀低山地貌，地形复杂，峰峦叠嶂、沟壑纵横，植被茂密，海拔高度在300-600m。项目区域分布有永溪、船厂溪、搬城溪、双溪、南一水库等水系，属典型的沿溪公路，桥梁占比高，工程条件艰苦，通视条件差，很多地区人力难以到达。
3项目测量方法的选择
受区域地形、地貌条件的限制，采用GNSS-RTK、全站仪等人工测量工作极难开展，无法适应工程测量的需要。采用航摄测量获取的1：2000 DTM高程插值的精度，在山岭区≤±1.6m。若想进一步提高精度，只能降低相对航高，但1：500 DTM高程插值精度在山岭区也只能达到≤±0.7m，满足不了施工图设计精度要求，同时将大幅增加测量成本，且定测与施工图设计时还需要补充大量人工地面测量。
机载激光扫描测量技术，集成激光测距、惯性导航和高精度动态GNSS差分定位技术，为攻克复杂地区公路测设难题提供了先进的技术支持。激光扫描测量具有精度高、测量数据完整可靠、可大面积作业等显著优势，而且穿透力强、能克服地面植被影响、不受阴影影响等优点，能高精度、高密度、快速度和低成本地获取三维地面数据，使得人工野外作业量大幅降低，在艰险的工程环境中，有效保障了测量人员的人身安全，在地表环境复杂的工程环境中具有极强的技术适应性。
直升机或固定翼飞机可同时搭载航摄设备、激光扫描设备，设计好航线后，只需飞行一次，即可获取测区的航摄影像及激光扫描数据。但是对于低等级公路，受投资限制，若走廊带全部采用此种模式获取数据，高额的成本显然不现实。在南靖县奎洋至梅林公路的勘测中，将无人机航空摄影测量与无人机三维激光扫描技术结合起来，各取其优点，成为本项目最终测量方案。
4测量方案实施
受无人机的负重、续航能力及获取数据的用途不同，在奎梅公路测设中将航摄、三维激光扫描分开实施：采用无人机航摄技术获取各路线方案走廊带1：2000数字地形图，采用无人机三维激光扫描技术获取施工图设计方案的点云数据。
无人机航测技术发展已较成熟，在此不在赘述，奎洋至梅林公路的初步设计方案比选在1：2000数字地形图、DTM上完成，最终确定路线的推荐方案。施工图阶段对初步设计批复的推荐方案在1：2000地形图上进一步细化、优化，最终确定施工图路线方案。
图2 机载激光测量生产流程图
4.1地面基准站布设与测量
为保证无人机机载激光测量和GNSS/IMU技术的实施，需要在地面布设GNSS基站，并与机载POS系统内置的GNSS接收机同步进行观测，以实现动态载波相位差分定位。
为确保无人机机载激光扫描测量精度，相邻地面参考站间基线长应不大于20km，起点和终点地面参考站离路线起点和终点间隔应不大于5km。同时为避免1个地面GNSS参考站出现问题而出现飞行数据失效的情况，需至少架设2个地面GNSS参考站。
在利用机载激光获取数据之前，测区内已有布设好的高等级GNSS基础控制网。本项目基础控制网由每5km左右布设1对通视的D级GNSS控制点组成，通视点的距离大于500m。D级点间加密控制点采用GNSS静态测量，平均间距为500m，相邻通视。等级为公路一级，所有控制点高程采用电子水准仪按四等水准测量精度要求进行。
为保证测量成果精度的可靠性，以及后期与国土、规划等相关部门的衔接，基础控制网应与国家点联测。
4.2无人机激光数据采集
施工图路线确定后，采用无人机低空三维激光扫描获取道路设计中线两侧各100m范围内的高密度、高精度点云数据。无人机沿道路设计中线进行飞行，不需进行航线设计，相对航高150m。
图3 采用的设备
4.3平面、高程坐标修正
为保证机载激光扫描测量的精度，必须采用一定数量的地面检查点进行误差的检测与纠正。在数据处理过程中，地面控制点可用于激光点从WGS-84坐标系到工程坐标系的转换精度检校，以进一步提高WGS-84大地高到水准高的高程转换精度。
采用较多的控制点加入校正，可以帮助激光点云的后续精细化处理，改善激光点云的平面坐标和高程精度。为此，首先需要能从激光点云中精确识别出控制点的坐标中心，这对制点的形状和敷设材料都有特定的要求。控制点宜采用“ 丁”形或“十”形等具有明显中心位置的几何图形。本项目中所有在航带内的GNSS点及加密控制点均参与点云校正。为便于从激光点云中识别，将航带内控制点周边直径1m范围内地形整平，清除植被，采用白色涂料将控制点喷涂为两个100cm×20cm矩形交叉的“十”形，控制点位于“十”形中心，为便于环保，控制点的位置尽可能布设在测区乡村道路上或道路边缘。
4.4数字高程模型的建立
在对采集的激光点云数据完成数据预处理、激光点云分类处理、激光点坐标系统转换、校正等一系列处理操作后，即可基于分类出来的地面类激光点云数据，构建不规则三角网，生成最终的高精度数字地面模型。本项目采用纬地三维道路设计软件生成DTM。
4.5精度检测
平面精度检测：首先在密集激光点云数据中辨识检测点的平面位置，并读取其坐标值，然后与外业测量成果进行精度对比和分析，统计机载激光测量成果的平面精度。本项目利用GNSS-RTK采集明显地物点、激光扫描前设置的标记点的平面坐标与机载三维激光扫描数据进行了精度校核。由于加入了较多的控制点对点云进行纠正，检校平面坐标绝对差值〈0.10m。
高程精度检测：利用外业检测数据的平面坐标和激光点云数据，直接基于密集激光点云数据内插出检测点的激光测量高程，与实际测量高程值进行比较，并对其误差进行分析，统计出激光测量数据的高程精度。本项目对全线分10段利用GNSS-RTK对部分中桩放样实测高程与机载三维激光扫描数据进行了精度复核，共复核中桩高程687个，具体复核情况见下表。
中桩实测高程复核精度统计表
经分析，位于0.00～0.05m误差范围的中桩位置无植被且地表坚硬，如岩石、道路等；大于0.15m误差范围的中桩位置植被较密，为提高激光穿透率，在植被茂密区冬季测量为宜。
经实践检验证明，低空无人机三维激光测量数据，经一定数量的平面、高程控制点对激光点云系统误差修正后，生成高精度数字地面模型，基于模型提取道路纵、横断面数据，其精度满足低等级公路施工图设计要求。
5结束语
工程实践表明，南靖县奎洋至梅林公路测量中采用无人机航空摄影测量+无人机三维激光扫描技术协同测量方法经济、高效、安全，成果精度满足低等级公路初步设计、施工图设计的要求，成功解决了地形复杂、植被覆盖率高的地区地面数据获取的难题，可代替人工实地采集纵、横断面数据等测量工作。
参考文献：
[1]陈楚江，余绍淮，明洋，等.精密机载激光扫描测量及道路改扩建设计，公路交通科技，2012，29（1）：43-47.
[2]GB/T18314-2009全球定位系统（GPS）测量规范.北京：中国标准出版社，2009.
[3]CH/Z3017-2015地面三维激光扫描作业技术规程.北京：测绘出版社，2015.
作者：王向欣 宁夏公路勘察设计院有限责任公司 高级工程师 银川市 邮编：750001 研究方向：公路工程、工程测量
论文作者:王向欣
论文发表刊物:《基层建设》2018年第36期
论文发表时间:2019/2/13
标签：激光论文; 测量论文; 无人机论文; 精度论文; 高程论文; 数据论文; 公路论文; 《基层建设》2018年第36期论文;