第 1 章 引 言
1.1 选题背景和意义
随着国民经济的迅速发展，高速公路的建造也在飞速跟进，目前我国已完成的通车里程为 95600km。交通运输“十二五”发展的规划显示，到 2015 年年底，高速公路将几乎贯穿城镇人口超过 20 万的城市，覆盖率达到 90%，通车里程也将会达到 108000km[1]。高速公路的发展如此迅速，如果设计单位仅依靠 1:10 万或 1:5 万地形图来选择一条合理的路线，是非常困难的，而传统的测量技术(如航测技术和GPS RTK技术或者CORS技术)在高速公路测量应用中受作业环境和自然因素的影响降低其作业效率[2-4]，人工测量长达上百公里的地形图，作业周期不能满足高速公路勘测设计的需要[5-6]。缩短数据获取周期同时提高测量精度就成为高速公路勘测设计中亟需解决的问题，而机载激光雷达扫描测量技术的诞生较好地解决了这一难题。本论文以河南省登封—汝州高速公路(以下简称登汝高速)为例介绍机载激光雷达技术在高速公路勘测设计中的应用。登汝高速位于河南省中西部，是河南省高速公路网“686”规划中一纵 S49(焦作—桐柏高速，以下简称焦桐高速)的重要组成部分，焦桐高速修建情况在谷歌地图上的示意图如图 1-1 所示，登汝段高速在谷歌地图上的区位示意图如图 1-2 所示。目前焦桐高速的其他段有的已经建成通车，有的已经开工建设，有的正在设计，为了尽早实现焦桐高速公路全程通车，加快登汝段高速公路的前期工作是必要事情之一。如上图可见项目所在地境内地形复杂多样，山川丘陵相互交错，其中山区、丘陵占据大半，约为 60%，沿线的冲沟和坎也比较多，地理地势北高南低，最高与最低处的相对高差为 1367m。若利用传统测量方法很难满足工期要求，而机载 LiDAR 技术的作业环境范围广且受其影响小，测量速度快，精度更高；丰富的数据产品，不仅可有效的减少设计路线沿线房屋的拆迁、树木的砍伐和农田的占用等，减少与沿线村民的冲突，控制了工程的投资，也使选线的优化设计更精确、效率更高，并能保证在要求的时间内完成工作[7]。
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1.2 国内外机载激光雷达技术的发展与研究现状
第一台激光雷达扫描系统的问世是在上世纪 70 年代，由美国航空航天局研发[8]，从此展开了对激光雷达扫描技术的不断探索。全球定位系统及惯性导航系统的迅速发展使遥感平台的实时位置和姿态参数数得到精确测定。1988 到 1993年德国斯图加特大学研制了机载激光扫描仪[9]，他们是把激光扫描技术与可即时测量遥感平台位置和姿态的系统有效结合在一起形成的。之后，机载激光扫描仪得到了迅速发展，目前全球制造激光扫描仪的生产厂商有十几家，并且型号多样，几乎满足所有用户需要，有三十多种供其选择。最开始研究生产机载激光扫描仪是为了获得地面数字高程模型[10]，其构成模型的主要数据是激光到达地面目标反射回去的回波信息。机载激光扫描仪的高度自动化和精确的观测成果使之逐渐成为新型采集 DEM/DTM 数据的工具[11]。上世纪 90 年代末至今是机载激光雷达扫描技术的高速发展时期。激光扫描仪扫描的激光脚点数据精度随着动态差分 GPS 和 IMU 的精度不断提高而得到提高，逐渐满足实际生产的需要。随着各行各业发展及应用需求，高精度机载激光雷达系统的研发与生产备受关注，很多著名的仪器生产厂家已经生产出了成熟的满足精度要求的机载激光雷达扫描设备，目前美国 Leica，加拿大 Optech，德国TopoSys 等是国际上主打的机载激光雷达扫描生产厂家。在获取地面三维空间数据方面，与传统测量方法相比，机载激光雷达技术明显降低了外业成本及数据后处理成本。
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第 2 章 机载激光雷达测量系统
2.1 机载激光雷达系统介绍
机载 LiDAR 系统[20-21]集激光技术、计算机技术、高动态载体姿态测量技术和高精度动态 GPS 差分定位技术为一体，严密整合了激光测距仪(Laser)、高精度惯性测量装置(Inertial Navigation System 简称 INS)和全球卫星定位系统(Global Positioning System 简称 GPS )三个高新技术[22]。机载激光雷达系统以飞机为测量平台，激光扫测系统为传感器，它不仅可以获取地表三维空间信息还能获取相应地物同时段的光谱信息做互补，是当代最有力的获取空间三维信息的工具。机载 LiDAR 系统的组成如图 2-1 所示，主要包括：
1、激光扫描测距系统，用于测定激光雷达发射参考点到激光脚点的距离；
2、动态差分 GPS 接收机，用于确定扫描装置中心投影的空间位置；
3、惯性导航系统(INS)，用于测定扫描装置的主光轴的空间姿态参数；
4、成像系统(主要是数码相机)，用于获取相对应地面实况的彩色数码影像，用于最终制作 DOM。
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2.2 机载激光雷达系统的定位原理
机载三维激光雷达测量系统为纯几何定位[39-40]。机载激光雷达系统定位的数据主要由三部分组成：激光测距仪量测的激光发射器到地面目标点之间的斜距S；惯性导航系统 INS 测定的飞机瞬时姿态参数；GPS 测定的飞机的相对位置和航迹。在数据后处理时，把激光器到地面脚点之间的斜距与飞机瞬时姿态数据和航迹信息相结合，就可以计算出各个激光脚点的三维空间直角坐标(X，Y，Z)。通过扫描方式就可以获得海量地面点的三维坐标达到测量地球表面地形的目的。在激光雷达测量系统构像过程中，需要通过多个坐标系转换后，才能将激光扫描测距仪量测的距离值转换为目标点的大地坐标。系统对地定位时坐标转换的顺序是：瞬时激光束坐标系 激光扫描参考坐标系 载体坐标系 惯性平台参考坐标系 当地水平参考坐标系 当地垂直参考坐标系 WGS-84 坐标系。理论上设计时载体坐标系坐标轴应该与激光扫描参考坐标系和惯性平台参考坐标系的坐标轴相互平行，但由于安装时存在安置误差，载体坐标系与激光扫描参考坐标系和惯性平台参考坐标系之间的就都会存在三个安置误差角。而实际上，这些安置误差角就综合成了激光扫描参考坐标系与惯性平台参考坐标系之间的安置误差角。因为安装时并不能保证激光扫描参考坐标系和惯性平台参考坐标系的坐标轴像理论设计的一样完全相互平行，也会存在安置误差角。
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第 3 章 机载激光雷达系统的作业流程........17
3.1 机载激光雷达系统作业流程.....17
3.2 机载激光雷达数据特点.............18
3.3 机载激光雷达数据处理.............20
第 4 章 登封—汝州高速公路勘测应用........29
4.1 项目概况介绍........29
4.2 成图规格和要求...........30
4.3 技术设计路线........30
4.4 航空摄影测量........31
4.5 数据采集.........35
第 5 章 LiDAR 数据处理..........38
5.1 数据预处理.............38
5.2 点云数据后处理............38
5.3 数字高程模型(DEM)制作 ..........40
5.4 纵横断面图制作............43
5.5 数字正射影像(DOM)制作..........43
5.6 1:2000 数字线划图(DLG)制作...........44
第 6 章 项目成果精度检查与分析
6.1 正射影像中平面控制点精度检查
本次地形图地物点高程检查采用全站仪测量和 GPS RTK 测量检查的方法进行，在测量控制点上直接设站，对定向点检查无误后，再测量路面、坎上、坎下、水沟、旱地等高程检查点，采集其高程，与地形图高程成果比较，本次检查高程点 280 个，在高速公路初步勘测阶段，经过人工测量方法，如全站仪、GPS-RTK 对机载激光雷达数据生成的成果精度进行检查可知 1:2000 正射影像模型平面精度、1:2000 数字高程模型高程精度、1:2000 数字线划图外业调绘的地物点平面位置精度、1:2000 数字线划图外业调绘的地物点高程精度都满足精度规范要求的精度，另外对纵横断面精度的分析主要是对测区沿线的特征点(即能反映数字地面模型不同地方的点)的实测检查，这些点的精度在数字地面模型高程精度分析表中体现，其精度为±0.12m，小于横断面高程检查限差W限=±(h/100+L/200+0.1)=±0.31m(注：h 为测点至中桩的高差，L 为测点到中桩的水平距离)，因此数字地面模型计算出来的纵横断面的精度是可靠的，符合高速公路勘测要求。由这些精度分析的结论可知机载激光雷达技术用于山区高速公路勘测设计是可行的，精度完全满足高速公路勘测设计规范要求。
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结 论
本论文基于机载激光雷达技术在高速公路带状地形勘测设计中的应用，对所做的工作总结如下：
(1) 结合登封—汝州高速公路阐述了机载 LiDAR 技术在山区高速公路带状地形勘测设计中的应用，并对机载 LiDAR 技术的数据采集、数据处理和数字产品(包括 DEM、DOM、DLG)的制作方法做了详细介绍。
(2) 用 Terrasolid 软件的一些列模块对机载 LiDAR 数据进行处理。包括在TerraScan 模块对激光点云进行滤波、分类，在 TerraModeler 模块中对滤波后的激光点云进行重组，内插生成 DEM，在 TerraPhoto 模块中制作 DOM，最后利用DOM 矢量化法绘制 1:2000 数字线划图。
(3) 利用全站仪、GPS RTK 对机载 LiDAR 数据产品精度进行检查：DOM 平面精度±0.15m(限差为±0.8m)，DEM 高程精度±0.12m(限差为±0.2m)，DLG地物点平面位置精度±0.47m(限差为±0.6m)，
