機載激光雷達（LIDAR）在公路勘察設(shè)計中的應(yīng)用研究

晏玲 于沉香 張艷軍

(中冶集團武漢勘察研究院有限公司 湖北武漢 430080)

1 引言

機載激光雷達技術(shù)（LIDAR）是一種綜合利用激光、全球定位系統(tǒng)(GPS)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)。將激光掃描儀、GPS接收機、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)碼相機及控制元件等置于載體飛機上，通過記錄向地面發(fā)射激光脈沖與接收地面反射脈沖所用時間，計算出激光掃描儀與地面間距，并結(jié)合POS系統(tǒng)所測的位置與姿態(tài)信息計算出地面點的三維坐標(biāo)[1]。由于激光波長短(一般800～1600nm)，能穿透植被葉冠到達地表，同時獲取植被與地表信息，并能夠探測地面管線等細小目標(biāo)[2]。通常，機載激光雷達技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)平面精度可達 0.5m，高程精度達0.1～0.3m，地表點采集間隔小于1.5m，可快速獲取大面積地面三維數(shù)字信息，為公路勘察設(shè)計建立數(shù)字地面模型，相比傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)，機載激光雷達技術(shù)具有自動化程度更高、受天氣影響較小、數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短、精度高等優(yōu)點[3]。

近年來對于 LIDAR技術(shù)的研究與應(yīng)用在國內(nèi)已逐漸興起，但在公路察設(shè)計中的應(yīng)用尚處在初步階段。蘭增榮[4]研究了基于機載激光雷達數(shù)據(jù)建立的數(shù)字地面模型提取公路縱橫斷面數(shù)據(jù)的方法及可行性。周偉[5]通過修正LiDAR點云的濾波處理結(jié)果，根據(jù)工程需求，研究了機載 LiDAR數(shù)據(jù)在公路測設(shè)中的應(yīng)用。郭磐石等[6]研究了從LiDAR系統(tǒng)的原生坐標(biāo)系統(tǒng) WGS84坐標(biāo)系和大地高系統(tǒng)向抵償坐標(biāo)系和正常高系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)換的技術(shù)方法和精度分析，對公路勘察設(shè)計中遇到的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法進行了解析。王繼平[3]、盧勤秀[7]分別介紹了機載LiDAR技術(shù)的工作原理及作業(yè)流程，探討了該技術(shù)在公路勘察設(shè)計中的應(yīng)用情況。黃勵鑫、王麗園等[8-9]對機載LiDAR技術(shù)在公路建設(shè)工程現(xiàn)場自然環(huán)境困難復(fù)雜地區(qū)的三維測量技術(shù)進行了可行性論證。湯武等[10]提出基于二、三維引擎一體化集成的機載雷達數(shù)據(jù)建立數(shù)字公路平臺的方法，針對公路不同的應(yīng)用需求設(shè)計了二、三維引擎數(shù)據(jù)管理策略和數(shù)字公路技術(shù)體系，實現(xiàn)數(shù)字公路互操作及對大數(shù)據(jù)量地理信息一體化管理與顯示的平臺建設(shè)。

可見，機載激光雷達技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用已經(jīng)展開了相關(guān)的理論探討和部分試驗區(qū)的研究，但因性價比等原因并未形成成熟規(guī)?；膽?yīng)用模式。機載 LiDAR技術(shù)的應(yīng)用研究與實踐證明，機載LiDAR三維測量技術(shù)改變傳統(tǒng)的公路測設(shè)模式，實現(xiàn)公路勘察設(shè)計一體化將會是必然趨勢。因此，加強該技術(shù)在公路察中的應(yīng)用研究并梳理發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵問題，對機載激光雷達技術(shù)在公路工程推廣應(yīng)用及提高勘察設(shè)計精度、效率方面具有現(xiàn)實意義。

2 機載激光雷達系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

機載激光雷達測量設(shè)備主要由四部分組成:用于確定激光雷達信號發(fā)射參考點空間位置的動態(tài)差分GPS接收機(GPS)、用于測定掃描裝置主光軸姿態(tài)參數(shù)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)、用于測定激光雷達信號發(fā)射參考點到地面激光腳點間距離的激光測量系統(tǒng)、用于記錄地面實況并為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供參考的數(shù)碼影像系統(tǒng)[11]。

2.2 工作原理

簡單地說，機載激光雷達技術(shù)就是通過慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）和GPS差分定位確定激光掃描儀的位置，然后對地物進行測邊和測角，獲取空間位置及姿態(tài)角。通過激光測量系統(tǒng)獲取地面點到掃描中心的距離，通過數(shù)碼影像系統(tǒng)獲取測區(qū)影像信息，經(jīng)數(shù)據(jù)后處理，達到地形和地貌信息的提取[4]。下圖1為機載激光雷達測量工作流程圖。

3 機載激光雷達在公路勘察設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 采集參數(shù)選擇

與傳統(tǒng)航測相比，激光點間隔、激光重疊度、影像地面分辨率、飛行高度等參數(shù)是機載激光雷達航測所特有的參數(shù)。

圖1:機載激光雷達測量工作流程圖

激光點間隔以平均點間隔距離或每平方米的點數(shù)來表示，直接影響最終的地面點插值精度。點云達到一定密度值后，精度并不隨密度的增大提高，反而會使后期處理工作量加大，增大由于分類錯誤而造成的誤差。一般情況下，點間隔的制定有兩個原則，第一是航向和旁向間隔要相近，第二是點間隔一般不大于圖上7～8mm的距離，1:2000的比例尺下，點間隔要求不大于1.5m。

根據(jù)工程經(jīng)驗，為避免邊緣變形誤差，后期數(shù)據(jù)處理時要裁掉一些重疊區(qū)域的激光點。因此，在地形起伏不是很大的情況下，機載激光 LIDAR航測對航線旁向重疊度控制在 20%～25%即可滿足使用需求，遠低于傳統(tǒng)的航空攝影測量對航向、旁向重疊度的要求。

影像地面分辨率與成圖比例尺相關(guān)，是像素代表地面實際距離的描述。一般方法是成圖比例尺要求的平面精度相當(dāng)于 1/3的地面分辨率。比例尺1:2000的地形圖平面精度一般地形條件下為0.6m左右，影像地面分辯率應(yīng)小于0.2m。

飛行高度設(shè)計與成圖的精度要求有關(guān)，也與采用的激光設(shè)備、測區(qū)地形有關(guān)，因此在實際工程中必須對此參數(shù)進行詳細計算和分析。而隨著激光器的檢校技術(shù)的精準(zhǔn)化，飛行高度對于激光的精度影響會越來越小。

3.2 輔助地面控制測量

激光點云的高程精度是一項非常重要的指標(biāo)，進行機載激光雷達工作中通常會配合同步的地面基站測量，涉及到地面控制測量的因素主要有地面基站精度、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、水準(zhǔn)面擬合精度和衛(wèi)星分布情況等。機載激光雷達飛行作業(yè)中，對地面控制測量工作的技術(shù)要求見表1。相比于傳統(tǒng)測量，輔助地面基站測量的工作量在機載激光雷達測量中減少了很多，但技術(shù)要求難度大大增加，在測量等級和測量精度上的要求更高。

3.3 DOM和DEM制作

由于機載激光雷達系統(tǒng)獲取的高精度、高密度的激光點云數(shù)據(jù)不具有地物地貌的精確矢量特征信息，無法直接在激光點云成果上獲取工程設(shè)計使用的矢量地形圖。通過 POS數(shù)據(jù)解算外方位元素、相機參數(shù)迭代計算、影像鑲嵌、影像與“點云”匹配等可以制作出數(shù)字正射影像圖 DOM。1:2000的 DOM的分辨率為0.2m以上，能夠滿足公路勘察設(shè)計的可行性研究、初步設(shè)計及施工圖設(shè)計各階段的需求。利用 DOM對點云數(shù)據(jù)進行分類判斷、地物提取等，用獲得的地面點在相應(yīng)軟件中就可以制作出滿足需要的數(shù)字地形圖DEM。

表1:機載激光雷達測量中地面控制測量的技術(shù)要求

3.4 數(shù)字線劃圖DLG繪制

雖然DEM和DOM可以滿足三維設(shè)計的需要，但線路三維設(shè)計軟件還不能完全滿足生產(chǎn)的需要。加之主流的公路設(shè)計軟件，如 CAD1、緯地、路線大師等，在進行公路設(shè)計工作的時候大多需要等高線為主的數(shù)字線劃圖 DLG。由于受相幅和相機本身的限制，Lidar獲取的影像不適合采用立體測圖方法獲取大面積的DLG。通常的做法就是利用DEM自動生成等高線和高程點，套合 DOM進行房屋、道路、水系等地物要素的矢量化；按照野外調(diào)繪位置進行地下管線描繪；Lidar比較“敏感”的地面上的電力和通訊線等可以從 DSM影像上獲得，也可以通過一定的算法進行矢量提取。

3.5 斷面采集

在公路勘察設(shè)計的施工設(shè)計階段，測量任務(wù)較繁重的工作主要是橫斷面測量。傳統(tǒng)勘測中，人工野外實測斷面，效率低、勞動強度大，嚴重影響公路勘設(shè)周期。而傳統(tǒng)航測技術(shù)測量橫斷面僅適用于植被較少的平坦、低丘地區(qū)，對于植被茂盛的樹林、水下、建筑物內(nèi)等條件下很難滿足精度要求。機載激光雷達技術(shù)通過對激光點云精細分類，即便對于植被覆蓋較密集的一般地區(qū)也能獲取精度較高的DEM，很好地解決了傳統(tǒng)航測技術(shù)存在的問題。利用高精度的 DEM批量切繪線路上任意點的橫斷面，容易實現(xiàn)自動化，用時少，精度高，同時可以避免出現(xiàn)野外測量錯誤情況。

4 公路勘察設(shè)計適用性研究

公路工程勘察的目的主要是通過測繪、勘探等手段對線路通過區(qū)的地形地貌等工程地質(zhì)信息做出綜合評價、優(yōu)化室內(nèi)所選方案，作為線路選擇及工程設(shè)計的依據(jù)。

公路工程勘察的測繪工作主要在初測和定測階段。初測階段主要是提供1:2000的帶狀地形圖?，F(xiàn)階段公路勘察設(shè)計周期經(jīng)常受限于航測攝影條件，供圖不足現(xiàn)象嚴重，機載激光雷達采用主動測量技術(shù)，一次航拍即可獲得所需所有數(shù)據(jù)，精度較弱處也可滿足要求。定測階段測繪的主要任務(wù)是基于初測階段的數(shù)據(jù)，求取設(shè)計路線上各特征點的縱橫斷面高程值。機載激光雷達技術(shù)激光穿透性強、多次回波特性使得其精度完全能夠滿足公路勘察設(shè)計的需求。

另外，除進行少量人工干預(yù)外，基于激光點云可實現(xiàn)程序自動化批量提取線路斷面，大大提高斷面測繪的效率。高分辨率的數(shù)字正射影像圖 DOM和應(yīng)用激光點云構(gòu)建數(shù)字地面模型 DSM可應(yīng)用于路基工程估算挖、填方量，調(diào)配距離，為三維輔助公路設(shè)計提供基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)公路勘察設(shè)計一體化。

5 結(jié)束語

機載激光雷達技術(shù)憑借其能直接獲取地物表面的高精度三維信息、不受日照、天氣條件的影響等特點，在道路工程測繪工作中開始得到越來越廣泛的應(yīng)用。機載激光雷達提供的1:2000數(shù)字地面模型、1:2000地形圖和數(shù)字正射影像圖的平面及高程精度滿足《公路勘測規(guī)范》（JTGC10-2007）的要求，但由于其施測過程不需要太多控制點，故需布設(shè)技術(shù)要求較高的輔助地面控制測量。另外，機載激光雷達作為一項新技術(shù)，其在公路勘察設(shè)計工程的應(yīng)用還沒有出臺相關(guān)的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。隨著該技術(shù)的發(fā)展,相信其在公路勘察設(shè)計工程中的應(yīng)用必定有更廣闊的發(fā)展前景。

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