應(yīng)用激光雷達(dá)系統(tǒng)的公路工程測(cè)量研究

摘 要：本文基于筆者參與的某高速公路線(xiàn)路工程測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，以LIDAR技術(shù)在該工程測(cè)量中的應(yīng)用為研究對(duì)象，研究探討了具體的應(yīng)用思路，全文是筆者工程實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：LIDAR 高速公路線(xiàn)路 優(yōu)化 DEM

中圖分類(lèi)號(hào)：TB22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）05（b）-0031-02

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)（Light Detection And Ranging，簡(jiǎn)稱(chēng)LIDAR），也叫機(jī)載激光雷達(dá)，是一種安裝在飛機(jī)上的機(jī)載激光探測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)，它集成了激光掃描儀、差分GPS系統(tǒng)、IMU（Inertial Measurement Unit，慣性量測(cè)單元，用以量測(cè)飛機(jī)平臺(tái)的飛行姿態(tài)）、數(shù)碼相機(jī)。在動(dòng)態(tài)載波相位差分GPS系統(tǒng)和IMU的支持下，激光掃描系統(tǒng)通過(guò)激光掃描器和距離傳感器，經(jīng)由微計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)量資料進(jìn)行內(nèi)部處理，顯示或存儲(chǔ)、輸出距離和角度等資料，并與距離傳感器獲取的數(shù)據(jù)相匹配，經(jīng)過(guò)相應(yīng)軟件進(jìn)行一系列處理來(lái)獲取被測(cè)目標(biāo)的表面形態(tài)和三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行各種量算或建立立體模型。

1 LIDAR數(shù)據(jù)獲取的基本原理

當(dāng)機(jī)載LIDAR航攝飛行時(shí)，激光掃描儀發(fā)射、接收激光束，對(duì)地面進(jìn)行線(xiàn)狀掃描，與此同時(shí)，動(dòng)態(tài)GPS系統(tǒng)確定傳感器的空間位置（經(jīng)緯度），IMU測(cè)量飛機(jī)的實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)，即滾動(dòng)、仰俯和航偏角。由于系統(tǒng)的幾個(gè)部分同步工作并集成于一體，GPS 和IMU的數(shù)據(jù)融合極為方便，所以經(jīng)后期地面數(shù)據(jù)處理后，即可獲取地面的三維數(shù)據(jù)。

2 LIDAR用于高速公路線(xiàn)路優(yōu)化設(shè)計(jì)的模式

三維激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于高速公路線(xiàn)路優(yōu)化設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、優(yōu)化設(shè)計(jì)等工作內(nèi)容。

（1）原始數(shù)據(jù)采集。

在航飛前要制訂飛行計(jì)劃，安置全球定位系統(tǒng)接收機(jī)、激光掃描測(cè)量、慣性測(cè)量、數(shù)碼相機(jī)等。

（2）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理。

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)在野外采集得到的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行一定的處理才能得到需要的信息。數(shù)據(jù)處理的內(nèi)容包括：確定航跡、激光掃描測(cè)量數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分類(lèi)處理、坐標(biāo)匹配、影像數(shù)據(jù)的定向和鑲嵌、建立三維地形模型。

（3）線(xiàn)路優(yōu)化設(shè)計(jì)。

以高精度、高分辨率正射影像和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用二、三維結(jié)合方式，結(jié)合架空高速公路線(xiàn)路設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)需求，采用多人協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高速公路線(xiàn)路路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)的一體化全流程應(yīng)用。

3. 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

針對(duì)某高速公路線(xiàn)路工程（線(xiàn)路長(zhǎng)度約為130 km）。多為山地地形。植被以稀疏灌木林為主，局部間雜茂密，交通條件一般。

3.2 激光測(cè)量系統(tǒng)檢校

將機(jī)載激光測(cè)量系統(tǒng)安裝到飛行器上后，首先必須進(jìn)行系統(tǒng)檢校，以獲取相關(guān)參數(shù)，保證數(shù)據(jù)精度。包括激光掃描儀的檢校和數(shù)碼相機(jī)的檢校，必須按照相關(guān)技術(shù)手冊(cè)進(jìn)行。

3.3 地面GPS設(shè)基準(zhǔn)站

激光飛行時(shí)需在地面布設(shè)GPS基準(zhǔn)站，旨在航攝期間連續(xù)獲取與機(jī)載GPS同步的觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)事后聯(lián)合差分解算機(jī)載GPS軌跡。相鄰基站間最大間距不得超過(guò)60 km。

3.4 實(shí)施航空攝影飛行

根據(jù)激光測(cè)量系統(tǒng)的檢校參數(shù)，結(jié)合工程設(shè)計(jì)的航帶，確定作業(yè)飛機(jī)的飛行參數(shù)及測(cè)量參數(shù)，選擇合適的影像地面采樣率、帶寬和激光點(diǎn)間距等參數(shù)，實(shí)施航飛過(guò)程。

3.5 數(shù)據(jù)處理

將機(jī)載激光掃描測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為線(xiàn)路勘測(cè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)大致要經(jīng)過(guò)下列幾個(gè)步驟。

3.5.1 構(gòu)建數(shù)字化立體作業(yè)平臺(tái)

利用激光掃描測(cè)量系統(tǒng)所獲取的DEM數(shù)據(jù)和正射影像數(shù)據(jù)，恢復(fù)測(cè)區(qū)立體模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)線(xiàn)路路徑進(jìn)行優(yōu)化。由于本系統(tǒng)所產(chǎn)生的三維立體模型是以正射影像數(shù)據(jù)為紋理、以實(shí)測(cè)的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立起來(lái)的真三維實(shí)體，可以從不同角度對(duì)同一地方進(jìn)行觀察。因此，以此立體模型作為選線(xiàn)平臺(tái)，可以大大提高選線(xiàn)結(jié)果的可信度和可靠性，使線(xiàn)路路徑走向更加經(jīng)濟(jì)合理。

3.5.2 制作DEM、DSM和DOM

采用專(zhuān)業(yè)軟件，導(dǎo)入激光點(diǎn)數(shù)據(jù)，設(shè)置分析參數(shù)，進(jìn)行自動(dòng)分類(lèi)，區(qū)別地面、房屋、植被等，經(jīng)分析對(duì)比，目前自動(dòng)分類(lèi)準(zhǔn)確率僅為20%～30%。在此基礎(chǔ)上采用人工干預(yù)方式結(jié)合影像進(jìn)行精確分類(lèi)，得到準(zhǔn)確的數(shù)字高程模型和數(shù)字表面模型和房屋等信息。采用數(shù)碼影像和精度更高的激光數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)糾正、鑲嵌，可以獲取比傳統(tǒng)方法更加精確的正射影像圖（DOM）。

3.5.3 制作平斷面圖

平斷面圖是高速公路線(xiàn)路勘測(cè)的主要成果之一。平面圖通過(guò)立體作業(yè)平臺(tái)獲取。在斷面圖繪制中，中線(xiàn)、邊線(xiàn)斷面及風(fēng)偏危險(xiǎn)點(diǎn)從DEM中自動(dòng)提取。由于激光掃描測(cè)量系統(tǒng)所采集的點(diǎn)密度非常大，精度也較高，所含信息豐富，使得中線(xiàn)、邊線(xiàn)斷面可以同時(shí)獲取DEM和DSM 2種數(shù)據(jù)，并且更加貼近真實(shí)地表，更好地服務(wù)于計(jì)算機(jī)的自動(dòng)優(yōu)化排位。在本工程中，我們將常規(guī)工程測(cè)量方法獲取的數(shù)據(jù)、傳統(tǒng)的航測(cè)攝影測(cè)量數(shù)據(jù)和激光掃描測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，證明機(jī)載激光掃描測(cè)量數(shù)據(jù)是可靠的，其斷面精度略高于普通航測(cè)斷面精度。

4 結(jié)論

實(shí)踐證明三維激光雷達(dá)技術(shù)，用于高速公路線(xiàn)路等工程優(yōu)化設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新性和代表性，打破了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的方式方法，從數(shù)據(jù)獲取及處理、初步設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、終勘定位、三維模擬、運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理等方面建立了一體化的、三維可視化的系統(tǒng)性技術(shù)體系和支撐平臺(tái)。隨著三維激光雷達(dá)技術(shù)與相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步融合，將會(huì)對(duì)高速公路工程的設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，三維智能數(shù)字高速公路將真正成為可能。

（1）三維激光雷達(dá)技術(shù)使整個(gè)高速公路、火車(chē)站基于三維真實(shí)場(chǎng)景，并與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、視頻等于一體的可視化成為可能；三維激光雷達(dá)技術(shù)使已建、新建高速公路，以及高速公路相關(guān)環(huán)境所有信息快速、低成本、高精度、全面獲取成為可能，將實(shí)現(xiàn)高速公路的真正信息化。（2）三維激光雷達(dá)技術(shù)與三維可視化技術(shù)、專(zhuān)家知識(shí)技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)高速公路的三維可視化、智能化的仿真成為可能；基于三維激光雷達(dá)技術(shù)等獲取的專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)，可以實(shí)現(xiàn)暴雪、暴雨、泥石流等對(duì)高速公路的影響，實(shí)現(xiàn)高速公路安全的智能化預(yù)警、應(yīng)急調(diào)度及防治。

參考文獻(xiàn)

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