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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