機載激光雷達技術(shù)在山區(qū)公路勘察設(shè)計中的應(yīng)用

王 濤

(廣西交通設(shè)計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

目前，公路建設(shè)普遍面臨工期短、建設(shè)環(huán)境復(fù)雜等問題。機載激光雷達技術(shù)是近年來興起的一種高新測繪技術(shù)，能夠很好地解決山區(qū)公路勘測中遇到的種種難題。本文結(jié)合賀州至巴馬高速公路工程實例，闡述該技術(shù)的主要特點和工作流程，并介紹該技術(shù)成果在賀州至巴馬高速公路勘察設(shè)計中的具體應(yīng)用。

1 機載激光雷達技術(shù)簡介

1.1 技術(shù)簡介

機載激光雷達技術(shù)(Airborne Light Detection and Ranging，LiDAR)是集激光掃描、全球定位系統(tǒng)(GPS)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)、攝影測量等多種技術(shù)于一體的空間測量技術(shù)，能夠快速、精確地獲取地表三維信息。

激光掃描是整個LiDAR系統(tǒng)的核心部分，它以一定的模式發(fā)射一系列激光束以實現(xiàn)對地面點的采樣。主要由激光測距單元、光機掃描鏡、控制和處理單元組成，一般采用脈沖測量模式和相位差測量模式。

全球定位系統(tǒng)(GPS)在LIDAR系統(tǒng)中用于確定掃描投影中心的空間位置。為了提高定位的精度，一般采取實時差分GPS(DGPS)或?qū)崟r載波相位差分(RTK)方法。在地面設(shè)置一個GPS基準站，飛機上的GPS作為流動站，需要實時地將基準站上的有關(guān)數(shù)據(jù)傳送給飛機上GPS接收機，以便飛機上進行高精度的定位。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)主要用于測量掃描裝置主光軸的空間姿態(tài)參數(shù)，其通過載體加速度和角速度，計算出載體速度、位置和姿態(tài)參數(shù)，并與GPS定位數(shù)據(jù)結(jié)合起來，對激光掃描和多波段成像等數(shù)據(jù)進行快速定位。姿態(tài)測定精度的高低對于能否獲得高精度的定位起著主導(dǎo)作用。

攝影測量則主要通過數(shù)碼相機系統(tǒng)，獲取地面的彩色數(shù)碼影像。后期經(jīng)過處理，結(jié)合DEM制作成數(shù)字正射影像(DOM)。

1.2 技術(shù)特點

機載激光雷達技術(shù)作為近年來興起的一種高新測繪技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的航空攝影測量和人工測量方式，它具有以下幾個方面的特點和優(yōu)勢：

(1)效率高。作為一種主動式測量方式，其外業(yè)作業(yè)對自然條件的依賴性小，不易受天氣、氣候、復(fù)雜山區(qū)地形等自然因素的影響，可以24 h全天候工作。同時，依靠成熟完善的配套軟件，其內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理速度快、周期短。

(2)精度高。激光具有極高的方向指向性，配置高精度姿態(tài)測量系統(tǒng)后能達到很高的定位精度。同時，由于激光探測具有多次回波的特性，激光脈沖在穿越植被空隙時，可返回樹冠、樹枝、地面等多層高程數(shù)據(jù)。植被穿透能力強的特點就保證了射在地表上有效激光點的數(shù)量，從而能精確地反映地表真實高程，保證測量成果的精度。

(3)成果豐富?；谕鈽I(yè)測量獲取的高密度、高精度的點云及影像數(shù)據(jù)，通過內(nèi)業(yè)處理可以生成數(shù)字表面模型(DSM)、數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字線劃圖(DLG)和數(shù)字正射影像(DOM)等。

(4)測量安全。該技術(shù)基本不需要或很少需要測量人員進入測量現(xiàn)場，可以對危險地區(qū)安全地實行遠距離高精度測量，保障了測量人員安全。

2 機載激光雷達技術(shù)在賀州至巴馬高速公路中的應(yīng)用

2.1 項目背景

賀州至巴馬高速公路是《廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃修編(2010-2020)》“6橫7縱8支線”布局方案中“橫3”線，起于粵桂交界的賀州市，途經(jīng)賀州、桂林、梧州、來賓、柳州、河池六市；鐘山、平樂、昭平、蒙山、荔浦、金秀、象州、柳江、忻城、都安、大化、巴馬12個縣；先后與縱1線龍勝至岑溪高速、縱2線資源至鐵山港高速、縱3線三江至北海高速、縱4線全州至友誼關(guān)高速、縱5線桂林至南寧高速第二通道、縱6線南丹至東興高速、橫2線賀州至隆林高速七條高速公路相接。項目橫跨桂東、桂中和桂西3個經(jīng)濟區(qū)，是廣西東西向重要的公路通道之一。

賀州至巴馬高速路主要的特點是地形復(fù)雜、生態(tài)環(huán)境好。復(fù)雜的自然環(huán)境給傳統(tǒng)的人工測量帶來了極大的困難。為了能在精度、進度等各方面滿足項目要求，該項目采用了機載激光雷達測量技術(shù)。

2.2 測量過程簡介

2.2.1 主要測量設(shè)備

航空攝影使用的是直升機搭載平臺。直升機為通用航空公司的恩斯特龍480B飛機。飛機姿態(tài)保持由飛機導(dǎo)航GPS設(shè)備及機載激光雷達設(shè)備配置的高精度GPS、IMU共同保證，在飛機Pitch、Roll與Heading的控制方面均能達到較高的精度要求。

航空攝影測量設(shè)備為加拿大Optech公司的Ecllipse機載激光雷達測量系統(tǒng)。該激光掃描儀最高脈沖頻率可達40萬Hz，最多能夠接收4次回波，具有多脈沖的功能。

2.2.2 航測技術(shù)指標

相關(guān)航測技術(shù)指標具體參見下頁表1。

2.2.3 航測分區(qū)和航線設(shè)計

測區(qū)長約102 km，0.6 km帶寬，互通式立體交叉路段及比較方案路段適當加寬，測區(qū)設(shè)置7個分區(qū)。由于LIDAR航測設(shè)備使用高精度的GPS/IMU定位，為防止IMU漂移誤差，每條航線的長度不能超過30 km。

表1 航測技術(shù)指標表

2.2.4 GPS基站方案

實行地面GPS基站架設(shè)使用的方案。項目共需要兩個地面GPS基站。航攝過程中，保證一個地面GPS基站根據(jù)需要隨時架設(shè)，并進行同步觀測。地面GPS基站的有效覆蓋半徑為30 km。

2.2.5 產(chǎn)品制作

原始數(shù)據(jù)成果主要用于制作1∶2 000比例尺DEM、DOM，主要工作內(nèi)容包括點云分類、航片空三加密、正射糾正、拼接線改正、圖幅裁切、DOM制作等工作，如圖1、圖2所示。

圖1 數(shù)字高程模型(DEM)示意圖

圖2 數(shù)字正射影像(DOM)示意圖

2.3 測量成果在各專業(yè)中的具體應(yīng)用

機載激光雷達測量的成果主要用于公路勘察設(shè)計中的以下幾個專業(yè)：中樁、橫斷面地面高程，拆遷建筑物調(diào)查、不良地質(zhì)調(diào)查、高壓線測量等。

2.3.1 中樁、橫斷面地面線

傳統(tǒng)測量方法是采用全站儀和GPS-RTK測量。對于這種山區(qū)高速公路，地勢陡峭、地形復(fù)雜，進度和精度都無法保障，同時測量過程中安全隱患大。

機載激光雷達技術(shù)則是通過激光穿透植被，獲得高密度的激光點云，生成高精度的數(shù)字高程模型，最后通過相關(guān)專業(yè)軟件提取中樁、橫斷面地面高程，如圖3所示。

圖3 通過數(shù)字高程模型提取中樁、橫斷面高程示意圖

路線設(shè)計中經(jīng)常需要局部調(diào)整路線方案。如果采用傳統(tǒng)的測量方法，一旦調(diào)整路線，就需要重新測量。采用機載激光雷達技術(shù)后，由于點云數(shù)據(jù)量較大、范圍寬，調(diào)整路線以后可以直接提取相關(guān)數(shù)據(jù)，不需要重新測量。

2.3.2 拆遷建筑物調(diào)查

傳統(tǒng)測量方法是通過皮尺測量或全站儀、GPS+RTK采點測量來確定建筑物規(guī)模。這種方法效率低，同時測量過程會暴露征拆的紅線范圍，可能會導(dǎo)致出現(xiàn)開工前沿線搶修搶種的現(xiàn)象。

機載激光雷達技術(shù)生成數(shù)字正射影像以后，根據(jù)影像可以直接量出建筑物的規(guī)模。同時，影像還可以作為征拆糾紛中的證據(jù)。

2.3.3 不良地質(zhì)調(diào)查

通過數(shù)字正射影像可以清楚地看到滑坡的邊界、前緣、臺階等信息，為判別滑坡的范圍、規(guī)模提供了依據(jù)。另外，利用激光點云切取的剖面圖可以看出滑坡臺階狀特征，由此可推測出滑坡大概的滑面形狀和深度，如圖4～6所示。

圖4 數(shù)字正射影像圖判別滑坡位置示意圖

圖5 1∶2 000地形圖判別滑坡位置示意圖

圖6 激光點云剖面圖判別滑坡臺階狀特征示意圖

2.3.4 高壓線測量

傳統(tǒng)測量方法是采用GPS-RTK、全站儀測量電塔位置，全站儀測量懸高。測量過程中安全隱患非常大，同時，路線一旦調(diào)整，又需要重新測量。

機載激光雷達技術(shù)通過激光點云激獲取高壓電塔位置和高壓線懸高(見圖7)。路線方案調(diào)整也不需要重新測量。

圖7 高壓電塔、電線激光點云圖

2.4 測量成果精度

經(jīng)檢驗，該項目DEM、DOM成果均滿足技術(shù)及相關(guān)規(guī)范要求，質(zhì)量合格。各分項具體檢查情況如下：

原始點云經(jīng)內(nèi)業(yè)檢查，航跡線解算正確，點云密度和點云航帶間匹配精度滿足設(shè)計要求，數(shù)據(jù)完整。

利用外業(yè)測量高程點，與點云數(shù)據(jù)對比，共檢測223個點，點云高程精度為0.144 m，滿足技術(shù)要求，詳見表2。

表2 高程精度評價表

DEM數(shù)據(jù)正確、完整，與點云套合較好，柵格質(zhì)量較好，無異常點，符合設(shè)計和相關(guān)規(guī)范要求。

2.5 拓展應(yīng)用

機載激光雷達技術(shù)的成果除了應(yīng)用于傳統(tǒng)的專業(yè)以外，還可以應(yīng)用于真三維設(shè)計和BIM技術(shù)。

公路設(shè)計中三維圖大部分是按照大概的比例建模，然后渲染成三維效果圖，這種三維圖只能表示物體的大概形狀和空間位置。而機載激光雷達測量得到的高精度、高密度激光點云、正射影像數(shù)據(jù)再加上傾斜攝影，可以生成真實的三維場景，整個圖是由準確的矢量點構(gòu)成，能準確地表示相關(guān)物體的規(guī)模和空間位置，如圖8所示。

圖8 真三維設(shè)計圖

機載激光雷達測量的成果也能為BIM技術(shù)提供豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。BIM軟件利用精準的數(shù)字高程模型生成三維地形曲面，同時疊加影像數(shù)據(jù)，就形成了準確的三維場景，實現(xiàn)了在三維場景中進行直觀的方案設(shè)計。

3 結(jié)語

目前，機載激光雷達技術(shù)在技術(shù)層面上已經(jīng)相當成熟。在國內(nèi)公路領(lǐng)域，已經(jīng)有許多項目采用該技術(shù)獲取地形數(shù)據(jù)，解決公路勘察設(shè)計中的難題。通過賀州至巴馬高速公路的工程實例表明，機載激光雷達技術(shù)的相關(guān)測量成果可以很好地應(yīng)用于各專業(yè)的勘察設(shè)計中。經(jīng)過檢驗，其精度滿足公路勘察設(shè)計相關(guān)規(guī)范要求。隨著各行業(yè)對該技術(shù)更深入地掌握和推廣，其將在工程建設(shè)中發(fā)揮更大的作用。

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