基于LIDAR的工程測量技術(shù)探討

向福國++付光輝

摘 要：三維激光雷達技術(shù)應(yīng)用于高速公路線路優(yōu)化設(shè)計包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、優(yōu)化設(shè)計等工作內(nèi)容。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)。實踐證明三維激光雷達技術(shù)，用于高速公路線路等工程優(yōu)化設(shè)計具有創(chuàng)新性和代表性，打破了傳統(tǒng)設(shè)計的方式方法。

關(guān)鍵詞：LIDAR 高速公路線路 優(yōu)化 DEM

中圖分類號：TB22 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（b）-0043-01

機載激光雷達系統(tǒng)（Light Detection And Ranging，簡稱LIDAR），也叫機載激光雷達，是一種安裝在飛機上的機載激光探測和測距系統(tǒng)，它集成了激光掃描儀、差分GPS系統(tǒng)、IMU（Inertial Measurement Unit，慣性量測單元，用以量測飛機平臺的飛行姿態(tài)）、數(shù)碼相機。在動態(tài)載波相位差分GPS系統(tǒng)和IMU的支持下，激光掃描系統(tǒng)通過激光掃描器和距離傳感器，經(jīng)由微計算機對測量資料進行內(nèi)部處理，顯示或存儲、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)過相應(yīng)軟件進行一系列處理來獲取被測目標(biāo)的表面形態(tài)和三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而進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)機載LIDAR航攝飛行時，激光掃描儀發(fā)射、接收激光束，對地面進行線狀掃描，與此同時，動態(tài)GPS系統(tǒng)確定傳感器的空間位置（經(jīng)緯度），IMU測量飛機的實時姿態(tài)數(shù)據(jù)，即滾動、仰俯和航偏角。由于系統(tǒng)的幾個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)（如圖1所示）。

2 LIDAR用于高速公路線路優(yōu)化設(shè)計的模式

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

（1）原始數(shù)據(jù)采集：在航飛前要制訂飛行計劃，安置全球定位系統(tǒng)接收機、激光掃描測量、慣性測量、數(shù)碼相機等。（2）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理：機載激光雷達測量系統(tǒng)在野外采集得到的數(shù)據(jù)需要進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、激光掃描測量數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分類處理、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）線路優(yōu)化設(shè)計：以高精度、高分辨率正射影像和激光點云數(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)合架空高速公路線路設(shè)計業(yè)務(wù)需求，采用多人協(xié)同設(shè)計，實現(xiàn)高速公路線路路徑優(yōu)化設(shè)計的一體化全流程應(yīng)用。

3 工程應(yīng)用實例

3.1 工程概況

針對某高速公路線路工程（線路長度約為130km）。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 激光測量系統(tǒng)檢校

將機載激光測量系統(tǒng)安裝到飛行器上后，首先必須進行系統(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)碼相機的檢校，必須按照相關(guān)技術(shù)手冊進行。

3.3 地面設(shè)GPS基準(zhǔn)站

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

3.4 實施航空攝影飛行

根據(jù)激光測量系統(tǒng)的檢校參數(shù)，結(jié)合工程設(shè)計的航帶，確定作業(yè)飛機的飛行參數(shù)及測量參數(shù)，選擇合適的影像地面采樣率、帶寬和激光點間距等參數(shù)，實施航飛過程。

3.5 數(shù)據(jù)處理

將機載激光掃描測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為線路勘測設(shè)計數(shù)據(jù)大致要經(jīng)過下列幾個步驟。

3.5.1 構(gòu)建數(shù)字化立體作業(yè)平臺

利用激光掃描測量系統(tǒng)所獲取的DEM數(shù)據(jù)和正射影像數(shù)據(jù)，恢復(fù)測區(qū)立體模型，并在此基礎(chǔ)上對線路路徑進行優(yōu)化。由于該系統(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、以實測的激光點云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立起來的真三維實體，可以從不同角度對同一地方進行觀察。因此，以此立體模型作為選線平臺，可以大大提高選線結(jié)果的可信度和可靠性，使線路路徑走向更加經(jīng)濟合理。

3.5.2 制作DEM、DSM和DOM

采用專業(yè)軟件，導(dǎo)入激光點數(shù)據(jù)，設(shè)置分析參數(shù)，進行自動分類，區(qū)別地面、房屋、植被等，經(jīng)分析對比，目前自動分類準(zhǔn)確率僅為20%～30%。在此基礎(chǔ)上采用人工干預(yù)方式結(jié)合影像進行精確分類，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路勘測的主要成果之一。平面圖通過立體作業(yè)平臺獲取。在斷面圖繪制中，中線、邊線斷面及風(fēng)偏危險點從DEM中自動提取。由于激光掃描測量系統(tǒng)所采集的點密度非常大，精度也較高，所含信息豐富，使得中線、邊線斷面可以同時獲取DEM和DSM兩種數(shù)據(jù)，并且更加貼近真實地表，更好地服務(wù)于計算機的自動優(yōu)化排位。

4 結(jié)語

實踐證明三維激光雷達技術(shù)，用于高速公路線路等工程優(yōu)化設(shè)計具有創(chuàng)新性和代表性，打破了傳統(tǒng)設(shè)計的方式方法，從數(shù)據(jù)獲取及處理、初步設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、終勘定位、三維模擬、運營維護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。隨著三維激光雷達技術(shù)與相關(guān)技術(shù)的進一步融合，將會對高速公路工程的設(shè)計運營產(chǎn)生深遠影響，三維智能數(shù)字高速公路將真正成為可能。（1）三維激光雷達技術(shù)使整個高速公路、火車站基于三維真實場景，并與實時監(jiān)測、視頻等于一體的可視化成為可能。（2）三維激光雷達技術(shù)與三維可視化技術(shù)、專家知識技術(shù)的融合，實現(xiàn)高速公路的三維可視化、智能化的仿真成為可能；基于三維激光雷達技術(shù)等獲取的專家知識庫，可以實現(xiàn)暴雪、暴雨、泥石流等對高速公路的影響，實現(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

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