LiDAR技术在山区道路勘察测量中的应用

发布日期：2018-06-26 00:00 浏览量：9439

　　1、前言

　　在山区公路勘察过程中，线路所经范围大多由于地形复杂，测绘人员无法到达，给常规勘测方法和手段带来极大困难。以重庆巫溪县至陕西镇平县高速公路为例，路线经过区域地貌以山地为主，山地占95％以上，个别路段山势陡峭；地形为南低北高，绝对高差达2000米，属典型的中深切割中山地形，按传统勘测方法，很难按时保质的要求完成前期基础资料测绘工作，尤其是设计用1：2000或更大比例尺地形成果图及路线和结构物纵横断面测绘。为了解决上述问题，拟采用目前技术最先进国内较成熟的能实时获取地形表面三维空间信息和影像的航空遥感新技术即机载三维激光雷达扫描（简称LiDAR）勘测新技术。与传统遥感技术相比较具有自动化程度高、受天气影响小、数据生产周期短、精度高等技术特点。

　　2、LiDAR 技术原理

　　LiDAR系统通常由以下部分组成：POS系统，传感器系统，采集管理系统，存储与控制系统。其中POS系统由GPS定位系统和IMU惯性导航系统组成。GPS定位系统通过差分精确测定传感器的空间位置，IMU惯性导航系统精确记录飞行姿态，激光传感器通过计算激光回波时间，精确记录传感器与地物回波点之间的距离，由此可直接测量地面及地物各个点的三维坐标。

　　使用激光进行距离量测可大大提高了数据采集的可靠性和抗干扰能力。当来自激光器的激光射到一个物体的表面时，其中一部分光会反射回去，被激光雷达所配备的接收器所接收。当仪器计算出光由激光器射出到返回到接收器的时间为2t后，那么激光器到反射物体的距离d=光速(c)×时间(t)，结合GPS得到的激光器位置坐标信息， IMU得到的激光方向信息，就可以准确地计算出每一个激光点的大地坐标 (x,y,z)，大量的激光点聚集成激光点云，组成点云图像，这就是机载激光雷达的测高原理。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲，拿频率为每秒一万次脉冲的系统来说，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。LiDAR系统还能记录同一脉冲的多次反射，激光束可能先打在树冠的项端，其中的一部继续向下打在更多的树叶或枝干上，有些甚至打在地面上被返回，这样就会有一组多次返回的具有(x,y,z)坐标的点记录，并分层表示。利用这个特点，我们可以通过分类和滤波处理，获取地面高程以及树高及建筑物的高度等信息。利用机载LiDAR系统进行测高作业，根据不同的航高，其平面精度可以达到0.15～1 m，高程精度可达到10～30cm，地面分辨率甚至可达到厘米级。

　　3 、LiDAR特点及优势

　　3.1、采用激光探测技术，直接获取地物三维坐标，采集数据精度高；

　　3.2 激光具有植被微小缝隙穿透能力，多次回波，获取更多地形、植被信息，传统航摄在植被密集区域不能获取地面数据；

　　3.3、多传感器集成，三维激光点云数据与影像数据同时获取；

　　3.4、少或无地面控制作业，大大减少外业工作量，特别适合困难地区作业；

　　3.5 、航飞采集与控制作业同步进行，内业处理流程少，生产效率高；

　　3.6、不获取影像数据的情况下，激光对天气要求相对宽松，具备全天时作业能力；

　　3.7 、获取的数据信息全，可广泛应用于公路勘测的各个阶段。

　　4、LiDAR技术在新建山区公路勘测中的运用

　　4.1、困难地区勘测：适用于高山峡谷、森林、无人区、沼泽等地形地貌复杂地区勘测；

　　4.2、公路走廊带高精度DEM数据：三维仿真环境中，基于土石方、拆迁量、地形走势等因素，综合考虑优化路线走向；

　　4.3 、土石方量计算：基于DEM进行精确填、挖土石方量计算；

　　4.4、真实地形断面量测：利用LiDAR多回波技术及基于点云、DEM、DSM数据成果，室内任意量测断面，数据准，效率高；

　　4.5、三维可视化设计：多视角真三维设计场景，可实时交互操作；

　　4.6、地亩图勘界及林勘数量统计：根据三维点云、DOM影响数据，提取树种、树高等信息，进行现场勘界复核、林业砍伐面积及数量统计、以及生态环境影响程度评估等。

　　LiDAR提供的数据产品包括：激光点云数据、三维地表模型（DSM）、数字高程模型（DEM）、数字正射影像（DOM）、数字线划地图（DLG）、道路要素三维矢量图等。

　　5、结语

　　机载激光雷达采用激光主动测量，克服地形、植被的影响，对天气条件相对宽松，数据成果直接满足公路详测与施工图设计要求，不仅保证了工程质量的准确性，更加保证了工程工期的可控。机载激光雷达在公路勘察设计的研究与应用，创新了山区公路测设的手段与方法，使山区公路交通建设的技术水平上升到一个新高度。

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