LiDAR技術(shù)在山區(qū)道路勘察測量中的應(yīng)用

　　1、前言

　　在山區(qū)公路勘察過程中，線路所經(jīng)范圍大多由于地形復(fù)雜，測繪人員無法到達(dá)，給常規(guī)勘測方法和手段帶來極大困難。以重慶巫溪縣至陜西鎮(zhèn)平縣高速公路為例，路線經(jīng)過區(qū)域地貌以山地為主，山地占95％以上，個別路段山勢陡峭；地形為南低北高，絕對高差達(dá)2000米，屬典型的中深切割中山地形，按傳統(tǒng)勘測方法，很難按時保質(zhì)的要求完成前期基礎(chǔ)資料測繪工作，尤其是設(shè)計用1：2000或更大比例尺地形成果圖及路線和結(jié)構(gòu)物縱橫斷面測繪。為了解決上述問題，擬采用目前技術(shù)最先進(jìn)國內(nèi)較成熟的能實(shí)時獲取地形表面三維空間信息和影像的航空遙感新技術(shù)即機(jī)載三維激光雷達(dá)掃描（簡稱LiDAR）勘測新技術(shù)。與傳統(tǒng)遙感技術(shù)相比較具有自動化程度高、受天氣影響小、數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短、精度高等技術(shù)特點(diǎn)。

　　2、LiDAR 技術(shù)原理

　　LiDAR系統(tǒng)通常由以下部分組成：POS系統(tǒng)，傳感器系統(tǒng)，采集管理系統(tǒng)，存儲與控制系統(tǒng)。其中POS系統(tǒng)由GPS定位系統(tǒng)和IMU慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成。GPS定位系統(tǒng)通過差分精確測定傳感器的空間位置，IMU慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精確記錄飛行姿態(tài)，激光傳感器通過計算激光回波時間，精確記錄傳感器與地物回波點(diǎn)之間的距離，由此可直接測量地面及地物各個點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

　　使用激光進(jìn)行距離量測可大大提高了數(shù)據(jù)采集的可靠性和抗干擾能力。當(dāng)來自激光器的激光射到一個物體的表面時，其中一部分光會反射回去，被激光雷達(dá)所配備的接收器所接收。當(dāng)儀器計算出光由激光器射出到返回到接收器的時間為2t后，那么激光器到反射物體的距離d=光速(c)×?xí)r間(t)， 結(jié)合GPS得到的激光器位置坐標(biāo)信息， IMU得到的激光方向信息，就可以準(zhǔn)確地計算出每一個激光點(diǎn)的大地坐標(biāo) (x,y,z)，大量的激光點(diǎn)聚集成激光點(diǎn)云，組成點(diǎn)云圖像，這就是機(jī)載激光雷達(dá)的測高原理。激光束發(fā)射的頻率可以從每秒幾個脈沖到每秒幾萬個脈沖，拿頻率為每秒一萬次脈沖的系統(tǒng)來說，接收器將會在一分鐘內(nèi)記錄六十萬個點(diǎn)。LiDAR系統(tǒng)還能記錄同一脈沖的多次反射，激光束可能先打在樹冠的項(xiàng)端，其中的一部繼續(xù)向下打在更多的樹葉或枝干上，有些甚至打在地面上被返回，這樣就會有一組多次返回的具有(x,y,z)坐標(biāo)的點(diǎn)記錄，并分層表示。利用這個特點(diǎn)，我們可以通過分類和濾波處理，獲取地面高程以及樹高及建筑物的高度等信息。 利用機(jī)載LiDAR系統(tǒng)進(jìn)行測高作業(yè)，根據(jù)不同的航高，其平面精度可以達(dá)到0.15～1 m，高程精度可達(dá)到10～30cm， 地面分辨率甚至可達(dá)到厘米級。

　　3 、LiDAR特點(diǎn)及優(yōu)勢

　　3.1、 采用激光探測技術(shù)，直接獲取地物三維坐標(biāo)，采集數(shù)據(jù)精度高；

　　3.2 激光具有植被微小縫隙穿透能力，多次回波，獲取更多地形、植被信息，傳統(tǒng)航攝在植被密集區(qū)域不能獲取地面數(shù)據(jù)；

　　3.3、 多傳感器集成，三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)同時獲??；

　　3.4、 少或無地面控制作業(yè)，大大減少外業(yè)工作量，特別適合困難地區(qū)作業(yè)；

　　3.5 、航飛采集與控制作業(yè)同步進(jìn)行，內(nèi)業(yè)處理流程少，生產(chǎn)效率高；

　　3.6、 不獲取影像數(shù)據(jù)的情況下，激光對天氣要求相對寬松，具備全天時作業(yè)能力；

　　3.7 、獲取的數(shù)據(jù)信息全，可廣泛應(yīng)用于公路勘測的各個階段。

　　4、LiDAR技術(shù)在新建山區(qū)公路勘測中的運(yùn)用

　　4.1、 困難地區(qū)勘測：適用于高山峽谷、森林、無人區(qū)、沼澤等地形地貌復(fù)雜地區(qū)勘測；

　　4.2、 公路走廊帶高精度DEM數(shù)據(jù)：三維仿真環(huán)境中，基于土石方、拆遷量、地形走勢等因素，綜合考慮優(yōu)化路線走向；

　　4.3 、土石方量計算：基于DEM進(jìn)行精確填、挖土石方量計算；

　　4.4、 真實(shí)地形斷面量測：利用LiDAR多回波技術(shù)及基于點(diǎn)云、DEM、DSM數(shù)據(jù)成果，室內(nèi)任意量測斷面，數(shù)據(jù)準(zhǔn)，效率高；

　　4.5、 三維可視化設(shè)計：多視角真三維設(shè)計場景，可實(shí)時交互操作；

　　4.6、 地畝圖勘界及林勘數(shù)量統(tǒng)計：根據(jù)三維點(diǎn)云、DOM影響數(shù)據(jù)，提取樹種、樹高等信息，進(jìn)行現(xiàn)場勘界復(fù)核、林業(yè)砍伐面積及數(shù)量統(tǒng)計、以及生態(tài)環(huán)境影響程度評估等。

　　LiDAR提供的數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括：激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、三維地表模型（DSM）、數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字線劃地圖（DLG）、道路要素三維矢量圖等。

　　5、結(jié)語

　　機(jī)載激光雷達(dá)采用激光主動測量，克服地形、植被的影響，對天氣條件相對寬松，數(shù)據(jù)成果直接滿足公路詳測與施工圖設(shè)計要求，不僅保證了工程質(zhì)量的準(zhǔn)確性，更加保證了工程工期的可控。機(jī)載激光雷達(dá)在公路勘察設(shè)計的研究與應(yīng)用，創(chuàng)新了山區(qū)公路測設(shè)的手段與方法，使山區(qū)公路交通建設(shè)的技術(shù)水平上升到一個新高度。

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