機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)(Light Detection And Ranging,簡稱LIDAR),也叫機(jī)載激光雷達(dá),是一種安裝在飛機(jī)上的機(jī)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(jī)平臺(tái)的飛行姿態(tài))、數(shù)碼相機(jī)。在動(dòng)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(jì)算機(jī)對(duì)測量資料進(jìn)行內(nèi)部處理,顯示或存儲(chǔ)、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(jìn)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(jìn)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(jī)載LIDAR航攝飛行時(shí),激光掃描儀發(fā)射、接收激光束,對(duì)地面進(jìn)行線狀掃描,與此同時(shí),動(dòng)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(jī)的實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù),即滾動(dòng)、仰俯和航偏角。由于系統(tǒng)的幾個(gè)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)。
2 LIDAR用于高速公路線路優(yōu)化設(shè)計(jì)的模式
三維激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于高速公路線路優(yōu)化設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)劃,安置全球定位系統(tǒng)接收機(jī)、激光掃描測量、慣性測量、數(shù)碼相機(jī)等。
(2)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理:機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)在野外采集得到的數(shù)據(jù)需要進(jìn)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(jì):以高精度、高分辨率正射影像和激光點(diǎn)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(jì)業(yè)務(wù)需求,采用多人協(xié)同設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)高速公路線路路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)的一體化全流程應(yīng)用。
3 工程應(yīng)用實(shí)例
3.1 工程概況
針對(duì)某高速公路線路工程(線路長度約為130 km)。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(jī)載激光測量系統(tǒng)安裝到飛行器上后,首先必須進(jìn)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(jī)的檢校,必須按照相關(guān)技術(shù)手冊(cè)進(jìn)行。
3.3 地面GPS設(shè)基準(zhǔn)站
激光飛行時(shí)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(jī)載GPS同步的觀測數(shù)據(jù),通過事后聯(lián)合差分解算機(jī)載GPS軌跡。相鄰基站間最大間距不得超過60 km。
3.4 實(shí)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(jì)的航帶,確定作業(yè)飛機(jī)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(diǎn)間距等參數(shù),實(shí)施航飛過程。
3.5 數(shù)據(jù)處理
將機(jī)載激光掃描測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為線路勘測設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)大致要經(jīng)過下列幾個(gè)步驟。
3.5.1 構(gòu)建數(shù)字化立體作業(yè)平臺(tái)
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(duì)線路路徑進(jìn)行優(yōu)化。由于本系統(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(shí)測的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立起來的真三維實(shí)體,可以從不同角度對(duì)同一地方進(jìn)行觀察。因此,以此立體模型作為選線平臺(tái),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(jì)合理。
采用專業(yè)軟件,導(dǎo)入激光點(diǎn)數(shù)據(jù),設(shè)置分析參數(shù),進(jìn)行自動(dòng)分類,區(qū)別地面、房屋、植被等,經(jīng)分析對(duì)比,目前自動(dòng)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(jìn)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(tái)獲取。在斷面圖繪制中,中線、邊線斷面及風(fēng)偏危險(xiǎn)點(diǎn)從DEM中自動(dòng)提取。由于激光掃描測量系統(tǒng)所采集的點(diǎn)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(shí)獲取DEM和DSM 2種數(shù)據(jù),并且更加貼近真實(shí)地表,更好地服務(wù)于計(jì)算機(jī)的自動(dòng)優(yōu)化排位。
4 結(jié)語
實(shí)踐證明三維激光雷達(dá)技術(shù),用于高速公路線路等工程優(yōu)化設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新性和代表性,打破了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的方式方法,從數(shù)據(jù)獲取及處理、初步設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、終勘定位、三維模擬、運(yùn)營維護(hù)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(tái)。隨著三維激光雷達(dá)技術(shù)與相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步融合,將會(huì)對(duì)高速公路工程的設(shè)計(jì)運(yùn)營產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響,三維智能數(shù)字高速公路將真正成為可能。
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