测绘与空间地理信息
GEOM477CS & SE47Z4厶 INFOR 胚477ON TECHNO 厶OGY
第44卷第6期2021年6月
Vol.44， No.6Jun. ， 2021
顾鹏飞，刘文文，李啥
(河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南郑州450000)
摘要：针对山区地形复杂、植被茂密，采用传统的测量手段进行高速公路勘测设计较为困难，且工期长的实际， 本文提出了一种基于无人机载激光雷达技术的山区高速公路勘测设计的应用技术流程。该技术流程在河南济
源沿太行高速公路勘测设计中得到应用，验证了其可行性及精度，表明无人机载激光雷达在山区高速公
路勘测
设计中能够提高生产效率及精度，节约成本。
关键词：无人机；机载激光雷达；高速公路；勘测设计 中图分类号：P25 :TB22
文献标识码：A 文章编号：1672-5867(2021)06-0177-04
Application of UAV Laser Radar in Survey and Design of Expressway
GU Pengfei , LIU Wenwen , LI Han
(He'nan Provincial Communications Planning & Design Institute Co., Ltd., Zhengzhou 450000, China )
Abstract ：In view of the complex terrain and dense vegetation in mountainous areas , it is difficult to use traditional survey methods to
survey and design highways, and the construction period is long. This paper proposes an application technology process of survey and design of mountainous highways based on UA
V laser radar technology. The technical process has been applied in the survey and design
of Taihang expressway in Jiyuan , He'nan Province , and its feasibility and accuracy have been verified. It shows that the UAV lidar can improve the production efficiency and accuracy and save costs in the survey and design of mountainous expressway.
Key words : UAV ； LiDAR ； expressway ； survey and design
0 引 言
我国高速公路建设发展迅速，尤其在山区不断规划 新的路线，高速公路的设计复杂程度也不断提高，因而将 新的技术手段引入高速公路勘测设计中一直都是相关工 作人员研究的方向。 高速公路设计需要高精度的数据为 基础，而山区一般地形复杂、植被茂密，采用人工测量及 航空摄影测量等传统的手段不仅作业复杂困难、工期较 长，而且无法获得高精度的地形图及数字地面模型来满 足设计需求。机载激光雷达技术是目前先进的获取三维 空间信息数据的技术手段，可以较好地穿透植被从而获 取地表信息，给山区高速公路勘测设计的方式及效率带 来了新突破。 近年来，机载激光雷达技术在高速公路勘测设计上 应用越来越多，也取得了较好的成果和社会效益［'-2］o 从 相关的研究和实际项目中来看，一般机载激光雷达都是 采用大飞机、直升机等［3-5］，
虽然在精度和效率上有了很 大提升，但也存在许多不足，例如飞行成本高、起飞场地 要求较高、航空的空域协调较难、飞机和设备的准备周期
时间较长等，并且高速公路勘测的特点是带状地形测量， 山区路线设计复杂多变，而大飞机不够机动灵活，因此不 适宜山区带状地形测量。而近两年来，无人机技术发展 迅速，并开始与激光雷达技术相结合，给测绘手段及效率 带来了进一步的提升。 本文以无人机载激光雷达技术为 研究对象，将其应用于山区高速公路勘测设计中，提出一 种快捷、高效的技术流程，并在河南济源沿太行高速公路 勘测设计得到实践，验证其可行性及精度。
1无人机载激光雷达技术
机载激光雷达是一种主动式的对地观测系统，它集 成了全球定位系统(GNSS)、惯性导航系统(IMU)、激光测 距技术及计算机技术，能够直接获取高精度、高分辨率的 数字地面模型以及地物的三维空间信息，具有传统摄影 测量方法无法取代的优越性［6］。
随着无人机设计、飞控系统、制造工艺的快速发展， 无人机技术的应用有了新发展。与此同时，激光雷达系 统的轻小型化发展为激光雷达点云数据的获取提供了一
种更为灵活的途径，使其应用范围更加广阔。无人机与
收稿日期：2020-05-19
作者简介：顾鹏飞(1989-)，男，河南商丘人，工程师，硕士 ,2015年毕业于东南大学大地测量学与测量工程专业，主要从事激光雷达
数据处理、航空摄影测量等方面的应用研究工作。
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激光雷达设备相结合，具有灵活、轻便、成本低、适用范围广、起飞场地要求低、可获得高分辨率和高精度数据等特点，已经广泛应用于多个领域［7-8］。
目前，常用的搭载激光雷达设备的无人机一般采用垂直起降方式，主要有固定翼无人机和多旋翼无人机两种常见的机型。固定翼无人机体积大、载重大、续航时间长、抗风能力强，适合大面积测图；多旋翼无人机体积小、成本低、可靠性高、方便灵活、飞行高度低，适合小面积测图。两者都可同时搭载激光雷达和数码相机设备，能够进行激光点云和影像数据的获取，满足公路勘测规划初步设计、施工图设计数据的需求。 2无人机载激光雷达在公路勘测设计中的应用技术流程
无人机载激光雷达在公路勘测设计中的应用主要有以下几个流程：前期准备，外业航飞，点云数据处理以及基于点云数据集影像的数据产品制作。
2.1前期准备
在项目开展外业航飞之前，需要进行一些准备工作。首先收集公路设计测区相关资料，并进行空域申请。在飞行作业前，要先进行详细的飞行计划安排，包括飞行的航线、航带间的重叠度、飞行高度、飞行速度等，并准备相关硬件设备，包括无人机、机载激光雷达设备、相机设备以及地面等。
2.2外业航飞
空域申请完成后，就可进入测区现场，在合适的条件下进行外业航飞。在飞机起飞作业之前，需要架设地面，用于数据后期的差分解算。地面布设的距离不要超过30km，并且必须在激光雷达系统启动30 min前开始采集数据，并在航飞结束后继续采集30min数据。起飞前需要对飞行各项参数进行检查，以保证按照计划进行飞行。一切准备完成后，按预定的航线进行航飞。
飞行完成后需要检查数据质量及完整性。数据质量检查包括点云数据的密度是否达到要求、航带间数据匹配性、原始影像质量、航带重叠度等，数据完整性包括激光点云及影像数据是否覆盖所需全部范围、影像数据是否丢失等。如果未满足要求，需要进行重飞或补飞。
2.3点云数据处理
2.3.1点云数据预处理
无人机载激光雷达获取的原始点云数据先进行预处理，即对数据的解算。机载激光雷达设备航飞完成后得到原始数据中包含激光雷达GPS数据与IMU惯导数据，将GPS数据与地面数据进行差分处理，利用差分成果与IMU惯导数据进行联合解算，最终得到带有位置信息的点云数据。
2.3.2点云数据坐标转换
预处理后得到的点云数据坐标系统为WGS-84坐标系统UTM投影，高程为椭球高。而我国现行规定工程使用的坐标系统采用CGCS2000系统高斯投影，高程采用1985国家高程系统，因此需要对点云数据进行坐标转换。一般采用七参数坐标转换方法，使用不同坐标系下相同控制点进行七参数计算，得到参数信息导入软件完成点云数据的坐标转换。
2.3.3点云数据分类
激光雷达点云分类的处理采用Terrasolid软件，主要有以下几个步骤：首先，将点云数据按照范围进行分块；然后，通过滤波算法将点云数据去除噪点并批量粗分类，粗分类完成后人工对点云数据进行地面点细分类；最后，完成点云的细分类处理。
2.4基于点云数据及影像的数字产品制作
基于分类好的激光点云数据可进一步生产DTM、DOM、DLG等高速公路设计所需要的数字产品，生产流程如图1所示。
图1基于点云及影像数据的数字产品生产流程图
Fig・1Digital product production flowchart based on
point cloud and image data
2.4.1数字地面模型（DTM）制作
山区地形复杂多变，许多地区地貌破碎，为了获得高精度的DTM数据，使用地面点云数据导出用于后期建模是较好的选择。而一般激光点云密度大、数据量大、后期软件处理速度慢，部分地区数据存在部分冗余，因此，通过Terrasolid软件的提取地面关键点功能，设置容差和间隔距离参数，提取关键点。这样既保证了精度也降低了数据量，完成后导出DWG格式即可直接应用于公路设计软件。
2.4.2正射影像图（DOM）制作
利用地面点云数据、高精度的影像POS数据以及原始影像数据，通过Terrasolid软件的TerraPhoto模块即可制作出高精度的DOM产品。具体步骤如下：首先，建立影像工程，定义影像路径、成果输出路径及相机参数等，并导入抽稀后分类好的地面点云数据；然后，通过半自动或人工方式查定义影像连接点，完成后进行平差计算，改进相机参数，并剔除粗差及错误点，再进行计算，直至收敛一致；最后，依据计算结果调整影像位置姿态信息，完成后即可通过软件输出DOM产品。
2.4.3数字线划图（DLG）制作
针对山区复杂地貌及植被覆盖较多等问题，本文采用一种基于激光雷达点云数据的DLG制作流程，使用航
第6期顾鹏飞等：无人机载激光雷达在公路勘测设计中的应用179
天远景的FeatureOne软件进行采集绘制，该流程在一定程度上能够缩短工期，提高生产效率。
1)地物绘制
使用已经制作完成的DOM数据在FeatureOne软件中进行地物要素的采集。采集过程中需要特别注意房屋等较大高度地物的采集，必要时可参考点云数据进行平面位置绘制，提高地物平面精度。
2)地貌绘制
山区的陡坎、斜坡、陡崖等地貌很多，由于植被茂密，这些地貌不易通过DOM进行判读、绘制，如图2(a)所示。因此，本文采用一种新的方式进行采集，具体流程如下：通过Terrasolid软件导出TIFF格式数字高程模型，并导入Global Mapper软件中。在Global Mapper软件中设置动态地貌晕渲参数，将高度角设为90，根据高程值使用不同颜的着器进行地貌着，即可得到非常明显的地貌特征图，如图2(b)所示，可清晰地分辨地貌特征。通过软件将地貌特征图输出带有TFW格式坐标文件的地貌特征影像文件，再结合DOM进行判别，完成陡坎、斜坡、陡崖等部分地貌的绘制。
(a)正射影像图(b)地貌特征图
图2相同区域正射影像图和着后的地貌特征图
Fig・2Orthophoto map and shaded geomorphological
features map at the same area
3)高程点、等高线绘制
在Terrasolid软件中使用算法在分类好的地面点云数据中提取等高线关键点，使用等高线关键点制作生成等高线数据，然后结合DOM及生成的等高线数据在地面点中按照地形图规范要求的位置提取并导出高程点数据。
最后将地物、地貌、高程点、等高线数据按要求编辑修改成图，经过外业调绘，最终完成数字线划图DLG的制作。
3工程实践
3.1工程概况
河南济源沿太行高速公路位于济源市太行山脉南侧，线路全长约33km，路线沿线地形复杂多样，整体地势起伏较大。该项目勘测设计时间段正处在植被最茂盛的时期，给勘测工作带来了较大困难。为了保证工程进度和后期数据精度要求，本次项目数据采用无人机载激光雷达技术采集及处理。
3.2数据采集及处理
本项目测区面积较大，采用了固定翼无人机并搭载奥地利RIEGL激光系统公司的RIEGL VUX-1LR机载激光雷达系统进行数据采集，该系统是应用于无人机上的轻小、紧凑型机载激光雷达扫描系统，最大测距为1350m。
根据路线及成图范围总共设计3个架次进行外业航飞。由于路线较长，根据不同的航飞架次的范围，在两个位置架设地面来满足后期数据结算精度要求，该项目采用了天宝双频GPS架设地面进行数据采集。外业航飞结束后对激光雷达点云数据及影像数据的质量和完整性进行检查，经检查数据满足要求，可进行后续处理。
经过点云数据预处理、点云数据分类后，即可进行DTM、DOM、DLG等数字产品的生产，分类完成后的点云数据如图3所示。通过无人机载激光雷达技术获取的点云数据及影像数据的结合方法，与以往相似山区项目进行对比，相对于传统的航空摄影测量等手段,DTM、DOM、DLG的制作时间大大缩减，节约了生产成本。
图3分类后的激光雷达点云
Fig.3Classified lidar point cloud
3.3点云数据精度分析
本次项目在测区范围内的部分道路、田地、植被区、陡坎等区域外业随机采集了156个高程检核点。利用外业测量检核点，在Terrasolid软件中与点云数据对比，经过统计计算点云高程中误差为0.18m，可满足精度要求，详见表1o
表1无人机载激光雷达点云数据精度分析
Tab・1Data accuracy analysis of UAV
laser lidar point cloud
检查点数
无人机载激光雷达点云高程误差/m
最大值最小值中误差1560.320.020.18
相对于有人机搭载的激光雷达设备，小型无人机载激光雷达穿过植物到达地面的激光点也能够较好地表现出地貌特征，在植物茂密区也可满足数据质量要求。通过Terrasolid软件检查无人机载激光雷达得到的点云数据在植物茂密的区域成果如图4所示。
图4无人机载激光雷达点云数据穿透茂密植被效果
Fig・4UAV laser radar point cloud data penetrates
dense vegetation
effect
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3.4成果应用
根据点云数据及影像数据制作的DTM、DOM、DLG成
果，直接应用于道路设计中的道路选线、初步设计、施工
图设计等。高精度的DTM能够用于更加精确的坡度、填
挖方量等数据的计算，完成更精确的工程造价计算。
利用激光雷达数据分类得到的地面点密度大、精度
高，生成的DTM数据在地形复杂及植被茂密区域也能够
很好的表达，因此在山区高速公路设计过程中，可以利用
DTM数据按照规定的中桩距离自动生成横断面数据，这
样不仅能够避免外业山区实测的繁杂困难，而且也能够
大大缩短工期。
4结束语
将无人机载激光雷达技术应用于山区高速公路勘测
设计中，相对于大飞机载激光雷达、航空摄影测量、人工
地测等技术手段，无人机载激光雷达技术具有对起飞场
地要求较小、成本低、开展工作灵活迅速和精度高等优
点，而且空域申请较为简单，能够缩短数据获取时间。
无人机载激光雷达技术在地形复杂、地貌破碎、植被
茂密的山区环境中能够发挥巨大优势，穿过植物到达地
面的激光点能够较好地表现出地貌特征，满足数据质量
要求。本文提出的基于激光点云数据及影像制作数字产
品的技术流程，缩短了工期，提高了生产效率，在山区复
(上接第176页)
2.2正射纠正
在INPHO软件环境下，先通过自动获取连接点构建
立体像对，再通过机载激光雷达点云数据制作DEM，纠正
影像。影像与外业RTK采集数据进行对比平面中误差为
±0.20mm(见表4)，小于±0.6mm，精度满足《公路勘测规
范》(JTG/TC10—2007)的要求。
表4外业检查结果
Tab.4Field inspection results
差分类点号图上点位置检测误差
(mm)
备注
1-0.1高压电杆2-0.2高压电杆30.2高压电杆4-0.3变压器50.1通信电杆7-0.1涵洞
8-0.1房角90.2里程碑100.2房角11-0.1高压电杆12-0.1通信电杆130.2高压电杆14-0.3房角150.3通信电杆杂地形成果精度上也有了极大的提高，数字产品在高速公路设计中能够发挥重要作用。
参考文献：
[1]张丽军，潘家伟，曹志勇.基于机载激光雷达技术的山区
高速公路勘测设计方案探究[J].公路工程，2018,43
(6)：169-173.
[2]王涛.机载激光雷达技术在山区公路勘察设计中的应用
[J].西部交通科技,2018(4)：38-42.
[3]余飞，余绍淮，陈楚江.机载激光雷达测量技术在高速公
路勘察设计中的应用研究[J].中外公路,2016,36(2):
335-338.
[4]王璐.轻型机载激光雷达航测在公路勘测设计中的工程
应用实践[J].建设科技,2018(6)：67-69.
[5]黄励鑫，王丽园.机载激光雷达技术在困难复杂地区公
路勘察设计中的应用[J].交通科技,2009(1)：59-61. [6]张煜，窦延娟，张晓东.机载激光雷达数据采集及数据处
理[J].长江科学院院报,2010,27(1):13-16.
[7]林扬波.高精度机载激光雷达技术在埃塞俄比亚铁路测
绘中的应用[J].铁道建筑技术,2016(1):85-89.
[8]梁伟，魏采用，拜剑虹，等.无人机载激光雷达在地质环
境调查中的应用[J].测绘与空间地理信息，2018,41
(5)：73-75.
[编辑：张曦]
3结束语
本文通过工作实例验证利用机载激光雷达获取DEM 正射纠正激光雷达低旁向重叠度的实例，改进生产流程能够快速获取高质量的正射影像。航测设备配有高精度惯导能够获取外方位元素时，可以在无像
控情况下，通过 大量试算得出计算参数作为经验值，为以后的工程项目作为参考值。本文在计算参数时，由于试算的结果都是显示在软件中，在编辑过程中只做结果统计。
参考文献：
[1]国家测绘局测绘标准化研究所.1:5001：10001：2000
地形图航空摄影测量内业规范：GB/T7930-2008[S].
北京.中国标准出版社,200&
[2]国家测绘局测绘标准化研究所.1:5001：10001：2000
地形图航空摄影测量外业规范：GB/T7931-2008[S].
北京.中国标准出版社,200&
[3]张祖勋等.数字摄影测量[M].武汉：武汉大学出版
社，1997.
[4]姜琳琳，赵晓明，洪波，丄iDAR数据结合特征线提取高
精度DEM及DOM[J].黑龙江工程学院学报,2009,23
(2)：32-35.
[编辑：任亚茹]
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