機載三維激光掃描技術在公路勘測中的應用初探

張巨鵬

（新疆交通規(guī)劃勘察設計研究院，烏魯木齊830006）

1 引言

隨著社會經濟的快速發(fā)展，我國現(xiàn)有公路所承受的交通壓力越來越大，而我國的高速公路輻射面積也越來越廣。在新疆，越來越多的公路工程也展開建設，在山區(qū)以及高原等地方，必須要擁有更高的公路勘測技術，才能夠達到公路勘測的精度以及速度要求。而LIDAR 技術是集激光掃描儀、差分GPS 系統(tǒng)、IMU、數(shù)碼相機于一體的機載三維激光掃描技術，在公路勘測中的發(fā)揮著十分重要的作用。

2 LIDAR 技術的應用原理

LIDAR 技術是一種新型的技術，在IMU 以及動態(tài)載波相位差分GPS 系統(tǒng)的基礎上，在激光掃描系統(tǒng)以及微計算機的輔助下，對測量資料進行內部處理，并將距離或者角度等資料進行顯示、存儲或者輸出，然后再與距離傳感器中的數(shù)據進行比對和匹配。然后再在一系列軟件的共同作用下確定測量目標的表面形態(tài)，獲得相應的三維坐標數(shù)據。在擁有了這些數(shù)據和形態(tài)之后，就可以進行各種類型的量算，或者進行相應立體模型的構建。

首先，機載LIDAR 在飛行拍攝的過程中，激光掃描儀就可以通過其特定的激光束的發(fā)射與接收對地面進行線狀掃描。同時動態(tài)載波差分GPS 系統(tǒng)就可以對傳感器的經緯度進行明確，IMU 可以對飛機的姿態(tài)數(shù)據進行實時測量，確定飛機的滾動、仰俯以及航偏角。而且系統(tǒng)的幾個組成部分可以實現(xiàn)同步工作，所以可以很方便地將GPS 系統(tǒng)與IMU 的數(shù)據進行充分融合，然后再經過地面數(shù)據處理之后，生成地面三維數(shù)據。

3 LIDAR 技術在公路勘測中的應用優(yōu)勢

LIDAR 技術在公路勘測中的應用具有以下六大優(yōu)勢。第一，工作速度快。因為LIDAR 技術可以迅速獲取較大范圍內的空間實體數(shù)據，從而及時測量明確實體平面的三維數(shù)據，并與智能化監(jiān)控系統(tǒng)進行結合。第二，不需要直接接觸被測目標。針對一些勘測人員無法到達的區(qū)域，或者地勢比較危險的地段，就可以應用LIDAR 技術完成掃描測繪任務。第三，具有很強的穿透性。激光本身就有很強的穿透性，可以通過LIDAR技術中的激光掃描儀直接獲得目標物不同層面的幾何數(shù)據，進而完成樣本的測繪。第四，密度和精度都非常高，LIDAR 技術可以以精密度較高的傳感技術、以及智能化的三維式進行目標物各種信息和數(shù)據的搜集和測繪，極大的避免了人工測繪產生的誤差。第五，具有很強的及時性、直觀性以及主動性。LIDAR 技術不受時間和空間的影響，通過自身的激光脈沖信號的發(fā)射與收集來進行目標物樣貌的描述。第六，智能化和數(shù)字化的特點突出。LIDAR 技術全程使用數(shù)字形式測繪，可以直接獲取數(shù)字長度信息，很容易實現(xiàn)智能化的描繪[1]。

4 LIDAR 技術在公路勘測中的具體應用

4.1 數(shù)字正射影像圖和數(shù)字地貌圖的繪制

在公路勘測中，LIDAR 技術可以有效獲取點云信息以及其他有用的數(shù)據，并對這些數(shù)據和信息進行整理和分析，進而完成數(shù)字正射影像圖以及數(shù)字地貌圖的繪制。正常情況下，數(shù)字地貌圖的比例為1:1000，而數(shù)字正射影像圖的精確度也會控制在20cm 以內，完全符合公路勘測工作正常開展的各項要求。而數(shù)字正射影像圖可以進行走廊部分直觀圖像的描繪，然后再根據遙感測繪資料以及其他地理資料，對不同類型的公路進行勘察，不僅可以有效提升公路勘測路線的選擇效率，還提升了公路勘測的質量。目前數(shù)字正射影像圖和數(shù)字地貌圖的繪制主要依靠攝影測量技術人員實施。

4.2 數(shù)字地面模型的繪制

在公路勘測中，數(shù)字地面模型可以為相關工作人員提供必要的縱斷面以及橫斷面的信息資料、地理資料。而要想進行數(shù)字地面模型的成功繪制，必須要具備以下三大數(shù)據信息：第一攝影測量信息，第二數(shù)字式地貌圖信息，第三野外測量的實際數(shù)據。但是數(shù)字式地貌圖受到地貌原圖精確度的影響較大，且掃描工作也存在著一定的誤差，所以其精度以及速度無法適應現(xiàn)代公路勘測的發(fā)展需求，工作質量也得不到保證。而野外測量又是一種滿足較高精度要求的勘測方法，但是受到測量速度的限制，在山地、重丘等地貌，則很難發(fā)揮出其優(yōu)勢。無論是供給帶狀地貌圖，還是數(shù)字地面模型，攝影測量都是目前公路勘測工作的關鍵點，可以滿足目前公路勘測中精度以及速度的要求。但是這種測量方法最大的缺陷就是受到天氣的影響較大。例如，在一些天氣比較惡劣、植被分布比較密集或者地形出現(xiàn)破碎的區(qū)域，將無法體現(xiàn)出其工作效率以及工作質量方面的優(yōu)勢。但是LIDAR 技術卻可以有效解決攝影測量技術中的缺陷。

4.3 在高速公路線路勘測中的應用

LIDAR 技術在高速公路線路勘測中的應用主要包含以下三方面：第一，原始數(shù)據的采集與獲取，即在機載LIDAR 飛行拍攝之前，要先制定飛行技術，并完成激光掃描儀、數(shù)碼相機、GPS 定位系統(tǒng)等的安置；第二，對基礎數(shù)據的處理與整理，即將機載LIDAR 野外采集所得數(shù)據進行一定的處理和整理；第三對線路的優(yōu)化設計，即借助正射影像圖和激光點云數(shù)據、數(shù)字高程模型數(shù)據等數(shù)據，通過二維與三維的結合實現(xiàn)高速公路線路路徑的優(yōu)化[2]。

5 結語

綜上所述，LIDAR 技術是一種較為新型的機載激光掃描技術，在公路勘測中的應用還有很多需要改善的地方。其造價成本雖然較高，但是應用優(yōu)勢十分突出，所以LIDAR 技術在未來的應用前景將十分廣闊。