在空中，解决路面问题！

　　一、背景

　　机载激光雷达技术作为航空遥感技术领域的一场革命，近年来取得了显著的发展。它具备主动式测绘地表空间信息的能力，通过发射激光脉冲并接收反射信号，能够精确测量地面点的三维坐标。这种技术不仅测量速度快、精度高，而且覆盖范围广，极大地提升了地形数据的获取效率和精度。

　　随着公路建设的不断发展，对地形数据的精度和范围要求越来越高。传统的地形测量方法，如RTK、全站仪等，存在测量周期长、人力物力消耗大、数据精度受限等问题。而机载激光雷达技术能够一次性采集大范围的高精度地形数据，为公路设计提供了更加全面、准确的基础资料。

　　同时，在公路建设工程中需要对周边的生态环境进行调查和评估，以确保施工对环境的影响降到最低。机载激光雷达技术可以通过获取高分辨率的地形数据，对土地利用、植被覆盖、水系分布等进行全面的调查，为环境保护和生态恢复提供重要的数据支持。

　　随着智能化、数字化及低空经济的发展趋势，机载激光雷达技术可以与人工智能、大数据等技术结合，实现更加智能化的地形数据处理和应用。这不仅能够提升数据处理的速度和效率，还能够为公路建设工程提供更加全面、精确、高效的技术支持。本文基于完成案例介绍了机载激光雷达在新建公路勘测过程中的相关应用、实现过程及成果。

　　1.1案例背景

　　浙江省某国道公路段改造工程，需要对原有道路进行改线。改造路段拟选线路上多为植被茂密的经济作物物区域或地形复杂的山区及具备原有土质地基的碎石路段。

　　图 案例测区概况

　　在该项目中，主要工程勘测任务是获取该拟选线路段的1：500比例尺地形图并制作拟选线路的纵横断面图，对拟选线路周边的沿线桥梁、管涵、经济林、建筑等进行调查，为公路建设工程选线及设计工作提供决策支撑和工程量预算评估。主要重、难点之一即如何准确获取植被下的真实地表数据。

　　使用传统的RTK逐点测量方式存在人力投入大、植被下GPS信号遮挡严重、断面测量不准确等问题;而摄影测量又无法“穿透”植被获取有效的地表数据。本项目采用了机载LiDAR+相机一体化激光雷达测量方案。

　　1.2目标任务内容

　　选择包含密集植被、大落差、挑战性较大的沿线典型测区，获取范围内的三维激光点云数据及影像数据;

　　构建测区数字地面模型(DTM)，基于DTM可实现线路选线的设计以及各种工程的面积、体积、坡度计算，任意两点间的通视判断及任意断面图绘制，以及后续的地形图等高线绘制及正射影像(DOM)的生产;

　　检测激光雷达获取的模型成果精度：通过RTK在测区范围内均匀测量不少于20个点位，用于对比获取的激光数据/影像数据的平面/高程误差。评估该方案在实际项目作业中的可靠性及准确性;

　　结合案例测区的达成效果，对该方案的作业效率、作业条件进行综合评估。考察该方案在各种典型公路建设工程及在公路建设调研、设计、施工及验收各阶段中的适用范围。

　　二、实施过程

　　2.1设备选型

　　考虑到对植被“穿透”的技术难点及高精度的核心要求，该项目采用了北科天绘自主研发的云雀无人机载激光雷达产品。该产品集成了高精度激光扫描单元、国产高可靠性位姿测量单元及高分辨数码相机。可同步获取扫描视场内的三维激光点云数据及影像数据，具备以下特色优势：

　　最高1000kHz激光发射频率，点密度有保障;

　　最大1500m测距范围，适用高落差地形作业;

　　系统精度优于5cm(免控制);

　　4次有效回波，“穿过”植被测量地表;

　　独特的倾斜椭圆形扫描方式;

　　70°*40°向下视场角，点频100%有效;

       植被及建筑区域，不同角度多次扫描，获取更多地表数据;

　　支持挂载无人机、固定翼、直升机等多种飞行平台。满足长里程公路、电力等带状要素测量任务。

　　本案例中采用的天源欧瑞6旋翼无人机+云雀的作业方式，飞行续航时间可达50分钟。

　　2.2GNSS静态基准站架设

　　在测区内架设GNSS基准观测站，按1Hz频率进行GNSS静态观测，用于后续GNSS流动站数据差分定位(PPK)及GNSS/INS组合导航数据处理。

　　2.3飞行参数设计

　　经过测区已有资料分析及实地勘探，测区最大落差约300m，灌木丛尤为茂密。综合测距及“穿透”性要求以及影像重叠率要求，通过设备一体监控软件StarNavi将雷达点频设计为250kHz，飞行高度设计为对地150-430m，相机曝光间隔设置为20m。

　　2.4自主飞行作业

　　完成云雀无人机载激光雷达参数设置及惯导静置后，通过无人机航线规划软件导入测区范围自主完成航线规划设计。由专业飞手操作飞机起飞进入航线并自主执行航线任务。

　　2.5精度检核点测量

　　使用RTK设备在覆盖整个测区的范围内采集了25个分布均匀的点位坐标数据。每个点位采集均以RTK固定解状态下的5次平滑结果保存，以保证检核点的精度可靠性。

　　2.6数据处理及质检

　　云雀无人机载激光雷达获取的POS和激光数据打包在同一文件中，可通过云雀的外设存储单元直接拷贝数据至电脑中。使用云雀无人机载激光雷达配套的StarSolve软件中导入原始数据、GNSS静态基站数据及基站坐标，一键输出包含飞行位姿信息的轨迹成果。通过轨迹成果与原始激光数据与原始影像数据的融合定向解算输出三维点云数据并同时完成影像数据的位姿计算。

　　处理完成的数据可在StarSolve中直接打开，检查数据完整性及正确性。

　　三、测试结果分析

　　在Terrasolid软件中对处理完的云雀激光雷达数据进行点云分类处理，评估激光“穿透”植被的效果，并基于分类后的地面点验证点云精度。完成DTM模型的构建及后续的纵横断面及地形图生产工作。

　　3.1“穿透”效果分析

　　获取的云雀激光雷达原始激光点云整体点密度为233点/m²。通过切剖可查看植被茂密区域下的地面数据连续，能够完整的表达真实地表地形，分类后的地面点平均密度达到16点/m²。植被“穿透”效果良好。

　　3.2激光点云精度分析

　　高程精度

　　通过切剖分析RTK检核点位置处的地面点云，高程精度符合良好。输出25个检核点高程精度检查报告，平均高程误差优于1cm，高程中误差3.55cm。

　　由于激光的视觉效果及分辨率局限性，难以准确从点云上识别平面特征点位。本次测试通过云雀激光雷达点云灰度显示模式可基本判别车道线、斑马线的轮廓，从而判断激光点云数据的平面精度。并通过生成的正射影像验证了系统的平面精度表现。

　　云雀激光雷达点云数据车道斑马线基本与检核点重合。

　　四、成果展示

　　基于云雀无人机载激光雷达生成的正射影像及三维点云数据，在软件中可进行联动显示。依据DTM及影像完成坡坎、等高线等地形绘制及房屋等地物绘制及纵横断面的制作。得益于云雀无人机载激光雷达独特的扫描方式，能够获取丰富的房屋建筑侧面点云信息，基于点云数据的水平剖片显示可显示更加完整的建筑外墙轮廓，提高房屋等建筑物的测图精度。

　　五、总结

　　5.1应用总结

　　本案例验证了云雀激光雷达系统在公路建设工程设计初测阶段的可行性。可根据云雀获取的数据生产高精度地形图、绘制精确的高点密度纵横断面，在设计阶段对公路建设工程的选线评估、土方成本预算、沿线地质环境因素调查等方面提供了重要作用的基础数据支撑。

　　基于对数据成果的自信分析及验证，确认云雀机载激光雷达勘测方案具备精度好、数据丰富等特点，认为在以下公路建设工程阶段有良好的适用性：

　　公路新建工程调研阶段：提供工程调研必要的测绘资料，小比例尺带状地形、水文环境分析等;

　　设计初测阶段：1：500-1:5000地形图、纵横断面、沿线桥梁、管涵、隧道、经济林、建筑等调查;

　　设计定测阶段：地形图修测、纵横断面、沿线因素调查补充;

　　竣工阶段：线路竣工测量，主要包括中线测量、高程测量及断面测量等

　　同时，该方案具备作业成本低、生产效率高的特点。本案例中作业准备、外场飞行等数据获取总时长约1小时，数据解算处理时长约30分钟，成果加工生产时长约2小时(地形图范围300*500m)。相较于传统的RTK或全站仪作业手段，不仅在成果质量上有较大提升，同时节约了大量的人力物力，外场作业综合效率初步评估提升了数十倍。

　　5.2价值评估

　　机载激光雷达低空勘测方案目前在国内外已具备良好的市场应用基础。但大多高精度装备采用的是进口产品，国产化高精度装备的研制将是我国基础地理信息智能化装备发展和低空经济发展的重要内容。

　　未来，随着技术的不断突破和成本的进一步降低，云雀机载激光雷达技术在公路工程乃至低空勘测领域的应用将更加广泛和深入。