机载LIDAR系统在公路断面测量中的应用与精度分析

机载LIDAR系统在公路断面测量中的应用与精度分析摘要:机载LIDAR技术的发展为获取高时空分辨率的地球空间信息提供了全新的技术手段，使人们从传统的单点数据摄取变为连续自动数据获取，提高了观测的精度和速度，能够快速地摄取精确的高分辨率的数字地面模型以及地面物体的三维坐标，进而获取地表物体的垂直结构形态，同时配合地物的影像或红外成像结果，增强对地物的认识和识别能力，在公路测量测绘等领域具有广阔的发展前景和应用需求。

关键词：机载LIDAR系统；公路断面测量；精度Abstract: Airborne LIDAR technology to obtain high spatial and temporal resolution of geo-spatial information provides a new technical means, so that people from the traditional single-point data ingest becomes continuous automatic data acquisition, improve accuracy and speed of observation, can intake of fast accurate and high-resolution digital terrain model of the three-dimensional coordinates of objects on the ground, and then ground to obtain a vertical structure of the object shape, in conjunction with the feature of the image or infrared imaging result, enhance the awareness and the ability to identify the feature in the Highway Surveying mapping and other areas has broad prospects for development and application requirements.Keywords: airborne LIDAR system; road cross-section measurement; accuracy一引言机载激光扫描测量技术是激光测距技术、计算机技术、高精度动态载体姿态测量技术(INS)和高精度动态GPS差分定位技术迅速发展的集中体现。

激光测距技术在传统的常规测量中就扮演着非常重要的角色，从最初的有反射棱镜的测距仪系统发展到如今无合作目标的激光测距系统；GPS定位技术的出现彻底解决了海陆空的定位问题，INS和GPS的集成为确定高动态载体的姿态成为可能。

以上几种技术的成熟运用及相关技术的发展为整个系统的集成奠定了技术基础，机载激光扫描测量实际上已经代表了对地观测领域一个新的发展方向。

整个系统比较复杂，就数据获取的方式来讲更像大地测量系统(通过测边、测角进行定位)，就数据后处理的方式来讲却更像摄影测量系统，包括地物的提取，建筑物三维重建等。

二机载LIDAR系统的基本原理、特点和作业流程2.1 机载LIDAR系统的测量原理机载激光雷达测量对地定位属于几何定位。

激光脉冲测距仪通过记录激光脉冲从发射经地面目标物反射到接收的时间延迟，精确测定发射点到地面激光点的斜距；惯性导航系统(INS)测定飞行器在空间的姿态参数：倾滚角、倾斜角和航向角；GPS提供飞行器精确位置信息。

在数据处理中，联合以上数据即可求出每个激光脚点的精确三维空间直角坐标(X，Y，Z)。

若空间有一向量S，其模为S，方向为(，，)，如能测出该向量起点的坐标(，，)，则该向量的另一端点P的坐标(X，Y，Z)可以唯一确定。

对于机载LIDAR系统来说，起点为遥感器光学系统的投影中心，其坐标(，，)可利用动态差分GPS求出；向量的模S是由激光测距系统测定的机载激光测距仪测量投影中心到地面激光点间的距离，姿态参数帆(，，)可以利用高精度姿态量测装置测量获得。

那么待测点的三维坐标(，，)为：，，(1)其中：，，。

机载LIDAR技术的基本特点机载激光雷达测量系统在生产流程和成果资料与常规测量相比，有着质的差别，其特点主要有：1．高精度。

绝对精度高程≤10 cm，水平位置≤20 cm。

2．高密集。

高密集的点云数据能够真实反映地形地貌。

平均每平方米激光点个数1～2个。

并且可以应用激光进行测高，大大提高了地面高程的精度，尤其在树林比较密集的地方，跟传统摄影测量相比，具有无法比拟的优点，传统航测测不到的树下地面高程，但激光点可以测量到植被以下的地面，其生成的地面模型精度在平坦地区可以达到0.2 m左右，在山地可以达到0.5 m左右。

根据原始激光点数据可以直接绘制满足公路设计精度要求的纵、横断面。

3．高效率。

飞行数据下来24小时即处理出数字地表模型，数天可以得到高精度数字地面模型和正射影像。

即可进行数字线划图绘制。

4．高分辨率。

可以获取高分辨率的数码影像。

根据不同航高，影像分辨率从0.05m～0.5m。

5．测量方式。

主动测量，通过主动发射激光脉冲进行测量，对天气的依赖程度大大减少，可以在夜间作业。

传统航测不能作业的天气，激光数码航测系统可以照常作业。

6．自动化程度高。

从飞行设计到数据获取，到最终产品的数据处理，自动化程度非常高。

通过GPS技术实时显示飞行轨迹。

不会发生漏拍的情况，避免人为错误。

7．像控点布设。

不需要布设像控点，由于使用了惯导装置和DGPS技术，在飞行过程中只需要保证地面30 km范围内有一个地面控制点（GPS基站点）即可，与传统航测布设大量的像控点相比减少了大量的野外地面工作量。

机载LIDAR系统数据的获取和处理获取LIDAR数据，首先需要根据设计需求选择LIDAR设备，再根据LIDAR 设备的参数和飞机性能选择合适的航摄高度，飞行时间以及进行航带设计。

LIDAR系统是一个先进的主动传感系统，它不依赖太阳光照，所以在获取地面三维信息时可以考虑夜航，飞行作业中，需根据测区内实际星历数据情况，选择避开GPS 信号较弱时段，为了避兔植被，尤其是农作物对真实地面的干扰，建议选择秋冬季节进行航飞。

LIDAR数据包括很多类型，例如房屋建筑、植被、水体、地表、管线等，如果要提取DTM(Digital Terrain Model，数字地形模型)，就必须将非地表类型点和地表点分离开，也就是要进行数据分类，目前基于LIDAR数据点滤波的力法绝大部分都是基于三维激光数据脚点的高程突变等信息进行的，概括来讲主要有移动窗口法，迭代线性最小二乘内插法，基于地形坡度滤波和移动曲面拟合法等几种。

LIDAR数据一般处理首先剔除噪声点，包括云，折射等造成的高程异常点，然后设定适合的参数，采用专业软件，如TerraScan软件(芬兰Terrasoild公司出品)自动分类提取地面点。

利用POS 动态定位计算出来的激光点坐标属于WGS84坐标体系，而一般测区采用地方坐标系，因此需要通过坐标转换获得最终成果，坐标转换包括两方面：平面坐标体系的转换和正常高转换。

平面坐标体系的转换一般通过联测地方坐标，采用七参数法转换得到；正常高转换是通过测区的高程控制点拟合的似大地水准面计算得到。

三机载LIDAR系统在断面测量中的应用与精度分析公路勘测工作包括线路控制测量、地形图测量、纵横断面测量以及相关调查工作等内容，本文主要以横断面的工作为例，进行了精度分析。

纵横断面的生成纵横断面测量在数字地面模型上采用计算机自动生成，根据给出的中桩坐标，在数字地面模型上求出其高程值，然后再在垂直中线方向上自动寻找特征点，并将特征相对与中桩的距离和高差保存起来，横断面计算步长一般取0.5米。

高程值采用双线性内差求得。

根据需要，横断面计算可以预先设置好中桩的高程，对于公路设计来说，中桩都需要实际在野外放样，其高程值一般野外可以实测出来，横断面计算时可以用中桩实测高程进行计算，室内计算的中桩高程值用来可以进行检查。

由于室内量测横断面可以采集更多的点，一般为0.5米，横断面方向严格垂直中线方向，这样生成的横断面比实测更能真实地反映实际地形变化。

单个激光高程点精度分析为保证激光高程点检查的准确性，实际检查地点选择在硬化的水泥路面上，先将激光点按实际坐标放样，再用五等水准观测方法与已知水准点进行联测。

本次检查地点选在××高速公路I47和I72附近，实际检查激光点74个，具体精度见表1。

表1激光高程点精度统计表注：相对中误差指对所有激光点进行加常数改正后的高程中误差，常数为所有激光点高差之和的平均值。

由表可知，激光高程点存在系统误差，绝大多数激光点的高程都比实测的高程要小几厘米，从检查结果来看，激光点绝对高程中误差为0.057米，但对激光点高程进行加常数改正后，其相对高差中误差为0.034米。

根据检测样本数据，激光高程点数据在硬化水泥路面上的高程基本上可以满足公路改造的要求。

纵断面精度检查纵断面精度检查主要检查实际放样的中桩高程与室内根据地模求出来的高程值之差。

其中上中平的中桩个数为25个，其精度见表2；采用GPS RTK高程检查的中桩个数为506个，其精度见表3。

表2中桩高程精度统计表（实测中平高程）表3中桩高程精度统计表（实测RTK高程）实测上中平的中桩主要分布在路的两边，旁边没有明显植被遮挡，检查点高程中误差为0.098 mm。

这说明在在没有植被遮挡的情况下，地面模型的高程精度可以达到0.098 mm，这种地方主要是指硬化的路面，空旷的平地以及没有植被的旱地等。

采用GPS RTK高程进行的检查的中桩沿着路线均匀分布，按初测要求，一般在纵坡变化的地方以及地物分类处，包括坎上、坎下、树林中，水沟中、道路两边以及小路中间等，基本上包括了可以反映数字地面模型不同地方精度的所有特征点。

实际检查特征点506个，高程中误差为0.202 mm。

这说明地面模型的整体精度为0.202 mm。

根据地模计算出来的纵断面高程中误差也应该为0.202 mm。

从表2和表3可知，高差为正的点和为负的点个数相差比较大，为负的点个数占总数的73.2%。

这说明地面模型有一定的系统误差，这主要是跟飞行过程中的定位精度和激光点是否直接测到地面上或者是地面上的矮小植被上有关。

横断面精度检查横断面检查主要选在一些有代表性的地方进行横断面实测，再与室内根据数字地面模型生成的横断面进行精度比较。

检查范围主要选在道路旁边、植被比较茂盛的桉树林中、甘蔗地里面、稻田、水沟旁边以及地形比较复杂的地方。