無(wú)人機(jī)搭載機(jī)載LiDAR在公路勘測(cè)中的應(yīng)用

■劉長(zhǎng)全

（遼寧攝影測(cè)量與遙感院 遼寧沈陽(yáng) 110034）

無(wú)人機(jī)搭載機(jī)載LiDAR在公路勘測(cè)中的應(yīng)用

■劉長(zhǎng)全

（遼寧攝影測(cè)量與遙感院 遼寧沈陽(yáng) 110034）

通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)載LiDAR系統(tǒng)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及實(shí)測(cè)檢查數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)和分析,機(jī)載LiDAR可以快速獲取高精度的DEM。無(wú)人機(jī)可以克服無(wú)人區(qū)、山區(qū)等人類(lèi)不易到達(dá)的地方，具有良好的應(yīng)用前景。

無(wú)人機(jī)雷達(dá)LiDAR無(wú)人機(jī)公路勘測(cè)無(wú)人機(jī)航測(cè)

長(zhǎng)期以來(lái)，傳統(tǒng)的以衛(wèi)星遙感和載人航空遙感為手段的遙感數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，由于空間分辨率較低、重訪周期較長(zhǎng)、時(shí)效性較差、受空域管制等因素的制約，在應(yīng)對(duì)各類(lèi)勘測(cè)任務(wù)時(shí)，很難提供及時(shí)有效的信息。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的發(fā)展很好地解決了這一難題。

無(wú)人機(jī)機(jī)載LiDAR不受日照和天氣條件的限制，能全天候?qū)Φ赜^測(cè)，LIDAR數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)相關(guān)軟件數(shù)據(jù)處理后，可以生成高精度的數(shù)字地面模型、等高線圖，具有傳統(tǒng)攝影測(cè)量和地面常規(guī)測(cè)量技術(shù)無(wú)法取代的優(yōu)越性。這些特點(diǎn)使它在測(cè)繪和軍事等方面的應(yīng)用具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

1 我國(guó)公路勘測(cè)需求特點(diǎn)

（1）數(shù)據(jù)采集的速度較慢。

（2）勞動(dòng)強(qiáng)度大。

（3）受天氣變化的影響較大。

（4）受測(cè)區(qū)地形及植被情況影響較大。

（5）受道路運(yùn)行情況等影響較大。

測(cè)量精度在地形復(fù)雜地區(qū)并不能滿足公路設(shè)計(jì)的要求：在對(duì)于中樁的平面和高程測(cè)量中，路線的斷面測(cè)量中，《公路勘測(cè)規(guī)范》、《公路勘測(cè)細(xì)則》中都有明確的規(guī)定。對(duì)于常規(guī)的測(cè)量方法，如在山區(qū)密林或地形復(fù)雜區(qū)域，用上面的方法在進(jìn)行斷面測(cè)量時(shí)，很難達(dá)到精度要求，有時(shí)偏差會(huì)很大，這也是公路施工中經(jīng)常進(jìn)行設(shè)計(jì)變更的主要原因之一。

2 LIDAR技術(shù)與常規(guī)測(cè)量技術(shù)比較

常規(guī)地面測(cè)量技術(shù)主要解決不了視野不開(kāi)闊，對(duì)無(wú)人區(qū)，林區(qū)，山區(qū)等人類(lèi)難以到達(dá)地點(diǎn)的測(cè)量。機(jī)載LiDAR最初目的是為了快速獲取高精度的DEM，因?yàn)榧す恻c(diǎn)可以部分透過(guò)植被的間隙而直接得到地面點(diǎn)的坐標(biāo)，無(wú)人機(jī)可以克服無(wú)人區(qū)、山區(qū)等人類(lèi)不易到達(dá)的地方，所以它的發(fā)展非常迅速。

LIDAR技術(shù)與常規(guī)測(cè)量技術(shù)比較主要從精度、費(fèi)用、進(jìn)度、自動(dòng)化程度等方面進(jìn)行，見(jiàn)下表。

項(xiàng)目異同 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量 常規(guī)測(cè)量技術(shù)精度精度較高，雖然在植被覆蓋密集區(qū)和地形破碎區(qū)受一定影響，但總體而言，LIDAR 的精度完全能夠滿足公路勘察設(shè)計(jì)的需求。常規(guī)公路測(cè)量采用攝影測(cè)量和傳統(tǒng)測(cè)量相結(jié)合的方法，即航拍走廊帶的地形圖和 DTM，利用全站儀和 GPS 技術(shù)等對(duì)精度較弱部分進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，以達(dá)到公路勘察設(shè)計(jì)的要求。費(fèi)用 相對(duì)偏高（但并不離譜）。 相對(duì)偏低進(jìn)度LIDAR 技術(shù)一次航拍既可獲得所需的所有數(shù)據(jù)，精度最弱處也可滿足要求。對(duì)重丘和山地區(qū)等地形復(fù)雜或破碎地區(qū)，特別是植被密集區(qū)，需進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。目前，由于公路設(shè)計(jì)大多進(jìn)入到山地區(qū)，其進(jìn)度對(duì)公路勘察設(shè)計(jì)造成一定的影響。自動(dòng)化程度 除進(jìn)行少量的人工干預(yù)外，容易實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理。需要多種軟件配合使用，方可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理。

3 無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)組成

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的主要組成部分：（1）動(dòng)態(tài)差分GPS接收機(jī)：確定激光雷達(dá)信號(hào)發(fā)射參考點(diǎn)空間位置；（2）INS:測(cè)定掃描裝置的主光軸姿態(tài)參數(shù)；（3）激光測(cè)距儀：測(cè)定激光雷達(dá)信號(hào)發(fā)射參考點(diǎn)到地面激光腳點(diǎn)間的距離。

圖1 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)組成

無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)對(duì)地定位原理：

LIDAR對(duì)地定位原理如下：若空間有一向量S，其模為S，方向?yàn)椋╝，b，c），如能測(cè)出該向量起點(diǎn)Os的坐標(biāo)（Xs，Ys，Zs），則該向量另一端點(diǎn)P的坐標(biāo)（X，Y，Z）可唯一確定。對(duì)于機(jī)載激光測(cè)量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，起點(diǎn)Os為遙感器光學(xué)系統(tǒng)的投影中心，起點(diǎn)坐標(biāo)（Xs，Ys，Zs）可利用動(dòng)態(tài)差分GPS或精密單點(diǎn)定位技術(shù)測(cè)定；向量S的模是由激光測(cè)距系統(tǒng)測(cè)定的機(jī)載激光測(cè)距儀參考中心到地面激光腳點(diǎn)間的距離；姿態(tài)參數(shù)（a，b，c）可利用高精度姿態(tài)測(cè)量裝置獲得。如今，高精度的動(dòng)態(tài)差分GPS和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)已成為可能，通過(guò)對(duì)一系列影響機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)的誤差（如激光測(cè)距光學(xué)參考中心相對(duì)于GPS天線相位中心的偏差、激光掃描儀機(jī)架三個(gè)安裝角的誤差、慣性導(dǎo)航測(cè)量系統(tǒng)機(jī)體同載體坐標(biāo)軸系間的不平行等）進(jìn)行誤差處理，獲得高精度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)就成為了可能。

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)動(dòng)態(tài)差分GPS精確測(cè)定傳感器在空中的位置，通過(guò)POS測(cè)定傳感器的姿態(tài)參數(shù)與通過(guò)激光掃描儀測(cè)得傳感器到地面目標(biāo)精確距離的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)地定位。慣性測(cè)量技術(shù)、GPS定位技術(shù)與激光測(cè)距技術(shù)的迅速發(fā)展和集成實(shí)現(xiàn)了機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)地定位。

機(jī)載激光雷達(dá)對(duì)地定位的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換順序是：瞬時(shí)激光束坐標(biāo)系→激光掃描參考坐標(biāo)系→載體坐標(biāo)系→慣性平臺(tái)參考坐標(biāo)系→WGS-84坐標(biāo)系。各坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2。

圖2 機(jī)載LIDAR系統(tǒng)中坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系

4 無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程

4.1 DLG、DEM、DOM成圖流程

無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)在公路勘察設(shè)計(jì)中的具體工作流程見(jiàn)圖3。在飛行作業(yè)前，要先進(jìn)行詳細(xì)的飛行計(jì)劃安排，包括飛行的航線、航帶間的重疊度、飛行高度、飛行速度等。此外還要進(jìn)行飛行前的參數(shù)檢測(cè)，然后按預(yù)定的航線進(jìn)行航飛，測(cè)完后，還要進(jìn)行飛行后的參數(shù)檢較。

圖3 無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)在公路勘察設(shè)計(jì)中的具體工作流程圖

圖4 lidar點(diǎn)云和pos數(shù)據(jù)預(yù)處理的具體流程圖

4.2 lidar點(diǎn)云和pos數(shù)據(jù)預(yù)處理流程

完成野外飛行任務(wù)后，可得到兩組數(shù)據(jù)：飛機(jī)位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)以及瞬時(shí)掃描角的激光距離測(cè)量值。其中，lidar點(diǎn)云和pos數(shù)據(jù)預(yù)處理的具體流程見(jiàn)圖4。

5 LIDAR在公路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

5.1 數(shù)字地形圖和數(shù)字正射影像圖測(cè)繪

通過(guò)對(duì)LIDAR獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和其他附屬數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理后，可提供數(shù)字正射影像圖和數(shù)字地形圖。數(shù)字地形圖比例尺通常為1∶500，數(shù)字正射影像圖分辨率通常為0.05 m以上，滿足公路勘察設(shè)計(jì)的可行性研究、初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)等各個(gè)階段的需求。同時(shí)，數(shù)字正射影像圖提供了走廊帶的一種直觀影像，與其他遙感影像數(shù)據(jù)和地理數(shù)據(jù)融合后，即可進(jìn)行公路勘察、不良地質(zhì)路段勘察、公路遙感選線等工作，極大地提高了傳統(tǒng)公路勘察選線的速度。針對(duì)公路行業(yè)，目前數(shù)字地形圖和數(shù)字正射影像圖的獲取主要通過(guò)攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行。

5.2 數(shù)字地面模型測(cè)繪

數(shù)字地面模型（Digital Terrain Model：DTM）在公路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要集中在提供縱、橫斷面數(shù)據(jù)和為三維公路輔助設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)。數(shù)字地面模型有3種數(shù)據(jù)源：攝影測(cè)量、地形圖數(shù)字化和野外實(shí)測(cè)。地形圖數(shù)字化由于受地形原圖精度、掃描矢量化精度等影響，精度和速度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到現(xiàn)行公路勘察設(shè)計(jì)的速度。野外實(shí)測(cè)無(wú)疑是精度最高的一種測(cè)量方法，但由于受其測(cè)量速度的影響，特別是進(jìn)入重丘和山地等地形復(fù)雜地區(qū)，該方法并非首選。攝影測(cè)量技術(shù)無(wú)論在提供帶狀地形圖還是數(shù)字地面模型方面是目前工作的主流，其精度和速度在一定程度上滿足要求，但攝影測(cè)量技術(shù)不但受天氣影響，而且在植被密集區(qū)和破碎地形區(qū)，精度受一定影響。LIDAR技術(shù)的出現(xiàn)，能夠很好地解決攝影測(cè)量技術(shù)存在的問(wèn)題，但由于出現(xiàn)的時(shí)間短，受價(jià)格等多方面因素的影響，其推廣還有一定的難度。

5.3 其他應(yīng)用

通過(guò)機(jī)載LIDAR獲取的DTM與0.05m高分辨率影像進(jìn)行疊加，建立工程區(qū)域真實(shí)地形地貌三維顯示，遙感解譯人員可直接對(duì)滑坡、崩坍、巖溶等不良地質(zhì)的形狀、大小、邊界、表面形態(tài)等地形地貌要素能直接進(jìn)行遙感分析和信息采集，極大提高了不良地質(zhì)遙感解譯的精確度、準(zhǔn)確度與可信度。同時(shí)，DTM和高分辨率正射影像還可為三維輔助公路設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，使得公路設(shè)計(jì)人員能夠直觀地進(jìn)行選線，以及橋梁、隧道、涵洞等構(gòu)造物的設(shè)置。

6 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)搭載載LIDAR提供的1∶500數(shù)字地面模型、1∶500地形圖和數(shù)字正射影像圖的平面及高程精度滿足 《公路勘測(cè)規(guī)范》（JTGC10—2007）要求，但由于其施測(cè)過(guò)程不需要太多首級(jí)控制點(diǎn)，故需布設(shè)施測(cè)或加密首級(jí)控制網(wǎng)并進(jìn)行相應(yīng)等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量。由于機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)作為一項(xiàng)新技術(shù)，國(guó)家并未出臺(tái)相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)精度評(píng)定仍需參照傳統(tǒng)相關(guān)規(guī)范。

P217[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-10-235-2