夏波
四川省交通勘察设计研究院有限公司
摘要：为充分挖掘激光雷达扫描技术的拓展应用，以成南高速公路改扩建横纵断面测量中的应用为例，探讨分析激光雷达技术与传统测量方法的差异，比较各种方法优缺点，研究激光雷达在横纵断面测量中的关键技术和难点，为相关工程项目提供经验参考。
关键词：激光雷达；高速公路改扩建；横纵断面测量
0 引言
目前，随着道路交通量的不断激增，造成道路拥堵问题日趋严重，原有高速公路亟待改扩建。原有道路平纵线拟合为改扩建设计的关键，需要根据测量数据拟合出精准的线形，故高精度的横纵断面测量数据尤为重要。传统横纵断面测量采用全站仪、GPSRTK、水准仪等测量技术，传统测量技术在断面测量时受地物遮挡严重，多次转站测量又削弱了测量精度，测量效率低下、耗时费力。受高速公路交通车辆运行管制，增加了测量成本和作业人员的风险性。故引入现代测绘技术，提高测量精度和效率势在必行。
激光雷达技术能获取高精度三维点云地理信息数据，能生产高精度DSM、DEM、DLG、三维模型等测绘产品。激光雷达测量技术的应用场景丰富，搭载平台多，如机载激光雷达、车载激光雷达、地面激光三维扫描、背包式激光扫描等。随着激光雷达技术的日趋成熟，在工程项目中对测量成果精度和应用范围提出了更高的要求。故基于激光雷达技术在高速公路改扩建横纵断面测量中的应用研究，有利于更好的满足工程设计需要，缩短基础测绘资料获取周期、提高设计效率。
1 激光雷达技术方案设计
成南高速公路改扩建项目，初步设计包含新建路段、老路单幅加宽、老路双幅加宽三种方案均有。故考虑老路加宽衔接精度使用车载及激光雷达扫描技术和机载激光雷达航测技术相结合的技术路线。车载激光雷达获取高速路路面、车道线及高速路沿线高精度点云数据；机载激光雷达获取老路及外扩300M地形点云数据。
根据项目需求车载和机载激光雷达需求，选用瑞格公司HS-1600型车载机载两用型激光雷达。机载激光雷达测量要求，点云密度平均≥20个/M2，平面及高程中误差≤0.1m，航线设计为真高400M，航线间隔150M，飞行速度100KM/h,雷达扫描频率为200KHZ。为保证精度和去除航点噪点，根据仪器测距精度/重复精度为15mm/10mm@150M，依据三角测量原理计算航带裁剪宽度为1800M,保证仪器自身点云平面高程精度高于0.1M。
车载激光雷达测量要求，点云密度平均≥100个/M2，平面中误差≤0.05，高程中误差≤0.02m。为保证激光点云数据质量雷达扫描频率设定为400KHZ，车辆速度设定为80KM/h。为避免左右车道及各匝道漏测，根据高速路收费站及互通匝道现场情况，提前做好次日线路规划图，以收费站站到站列表执行。
2 关键技术难点及解决办法
2.1 基准站及靶标点的布设
外业飞行采集时，基准站的架设距离远近也直接影响轨迹解算精度，轨迹精度直接影响后面点云生产精度。按照轨迹解算精度，基站距离超过15KM后，轨迹解算平面超3cm,高程超5cm,而多基站距离小于20KM不能难以联合解算，故布设相邻基站为30KM为最佳。
车载激光雷达数据精度要求高，故必须加靶标用于车载激光雷达数据精度提高纠正，按照道路两侧300M等间隔布设靶标点用于平面高程纠正。靶标平面使用快速静态测量方法，高程使用四等水准测量方法获得。
2.2 扫描盲区及通行不畅问题处理
高速路沿线交通工程设施，如隧道、护栏、广告牌、桥梁等构筑物的遮挡，会产生一些激光扫描盲区，盲区会造成点云空洞。故使用机载加车载激光雷达技术流程通过多视角扫描技术，最大限度避免出现扫描盲区。但高速路是昼夜连续运营的，路面车辆遮挡在所难免，故在选择避开车流高峰期作业，采用沿道路双向来回扫描方式避免扫描盲区。点云成果精度直接受制于轨迹解算精度，而轨迹解算为惯导系统与GPS联合计算，惯导系统对车辆停顿、倒车、急拐弯及其敏感，但高速路收费站的存在势必难以执行。故选者ETC车道无停留收费通行保证惯导精度。
2.3 多源数据融合处理
机载激光雷达数据成果与车载激光雷达数据成果精度差异较大，为保证最终点云数据的应用需要进行数据融合。实验方法为保证其车载激光点云数据精度不变，使用车载靶标对机载点云地面点数据进行二次参数拟合，以达到与车载激光点云数据的平滑过渡，保证其两种源数据在高速路及沿线平面高程精度的统一。
2.4 内业数据矢量化处理
通过激光点云数据的滤波处理，得到地面激光点云，应用TerraScan和TerraModeler软件模块生成可编辑的TIN格式的数字高程模型DEM，通过模型的颜色渲染查看有无误分类的点及低矮地物有无未剔除的情况等，通过人机交互编辑，将错误滤波分类的点剔除掉，只保留精确地形特征的地面点，通过软件自动制作DEM。根据需求，保存成geotiff或img格式的DEM数据文件。
3 测量精度验证及对比分析
3.1 数据测量精度验证
高程检查点均采用水准测量采集的高程点检查，检查使用点云处理模块TerraScan自动检测258个高程点数据生成激光点云精度报告，结果如下表1所示。高程偏差最大值为-0.014 M,高程偏差最小值为0.000 M，高程中误差为 0.004 M。高程精度满足低于2CM要求。
表1 点云与实测高程点精度对比表
检查点云成果的平面精度，采用特征检查线对比距离检查。检查线采集183处均匀分布于全线，检查线的采集使用三脚架对中杆RTK采集，采集位置为高速公路应急车道线白色实线外边缘（如图4），每条检查线采集三点连线，采集线长4-5M，与最终点云成果拟合车道线同一位置进行距离对比（如图5），距离值取检查线与车道线之间的最大值，对比结果见表3.4。最大距离差为0.056 M，最小距离差为0.001 M，距离中误差为0.029 M。
3.2 横纵断面生成精度对比分析
结合现场传统断面采集线与点云成果自动生成断面线进行对比分析。激光雷达点云生成的断面线可以根据需求设置结点距离，地形表达更细腻，激光点云地形线与传统方法获取地形线吻合度高，整体误差满足设计精度要求。且激光点云DEM模型成果可以随设计线变动快速自动切出设计所需任意断面，比传统方法调线需要实地测量获取更能缩短设计周期。
4、结束语：
本文通过对激光雷达在高速公路横纵断面测量中的应用研究，总结激光雷达在应用中的难点与解决办法，分析该技术手段相比传统测量方法既降低了人工作业的难度，又提高了作业效率和精度，也为其他公路测量提供了一定的借鉴意义。
参考文献：
[1] 李婷婷. 基于多源LIDAR数据的公路平纵线测量模拟技术研究，电子测量技术, 2020（12）.
[2] 王维波,周安发,李世伟,王平,罗胜金.车载激光扫描技术在公路测量中的研究及应用，地理空间信息，2021（02）.