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高速公路工程測量中LIDAR技術應用

發(fā)布日期:2018-06-21 00:00 瀏覽量:8969

  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)過相應軟件進行一系列處理來獲取被測目標的表面形態(tài)和三維坐標數(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)。


  2 LIDAR用于高速公路線路優(yōu)化設計的模式

  三維激光雷達技術應用于高速公路線路優(yōu)化設計包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、優(yōu)化設計等工作內(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,采用二、三維結(jié)合方式,結(jié)合架空高速公路線路設計業(yè)務需求,采用多人協(xié)同設計,實現(xiàn)高速公路線路路徑優(yōu)化設計的一體化全流程應用。


  3 工程應用實例

  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,必須按照相關技術手冊進行。


  3.3 地面GPS設基準站

  激光飛行時需在地面布設GPS基準站,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60 km。


  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)化為線路勘測設計數(shù)據(jù)大致要經(jīng)過下列幾個步驟。


  3.5.1 構建數(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),恢復測區(qū)立體模型,并在此基礎上對線路路徑進行優(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、以實測的激光點云數(shù)據(jù)為基礎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、DSMDOM

  采用專業(yè)軟件,導入激光點數(shù)據(jù),設置分析參數(shù),進行自動分類,區(qū)別地面、房屋、植被等,經(jīng)分析對比,目前自動分類準確率僅為20%~30%。在此基礎上采用人工干預方式結(jié)合影像進行精確分類,得到準確的數(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DEMDSM 2種數(shù)據(jù),并且更加貼近真實地表,更好地服務于計算機的自動優(yōu)化排位。


  4 結(jié)語

  實踐證明三維激光雷達技術,用于高速公路線路等工程優(yōu)化設計具有創(chuàng)新性和代表性,打破了傳統(tǒng)設計的方式方法,從數(shù)據(jù)獲取及處理、初步設計、優(yōu)化設計、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)性技術體系和支撐平臺。隨著三維激光雷達技術與相關技術的進一步融合,將會對高速公路工程的設計運營產(chǎn)生深遠影響,三維智能數(shù)字高速公路將真正成為可能。


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