LiDAR技術在山區(qū)道路勘察測量中的應用

　　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雜，測繪人員無法到達，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，很難按時保質的要求完成前期基礎資料測繪工作，尤其是設計用1：2000或更大比例尺地形成果圖及路線和結構物縱橫斷面測繪。為了解決上述問題，擬采用目前技術最先進國內較成熟的能實時獲取地形表面三維空間信息和影像的航空遙感新技術即機載三維激光雷達掃描（簡稱LiDAR）勘測新技術。與傳統(tǒng)遙感技術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、精度高等技術特點。

　　2、LiDAR 技術原理

　　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之間的距離，由此可直接測量地面及地物各個點的三維坐標。

　　使用激光進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，被激光雷達所配備的接收器所接收。當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)×時間(t)， 結合GPS得到的激光器位置坐標信息， IMU得到的激光方向信息，就可以準確地計算出每一個激光點的大地坐標 (x,y,z)，大量的激光點聚集成激光點云，組成點云圖像，這就是機載激光雷達的測高原理。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記錄六十萬個點。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)坐標的點記錄，并分層表示。利用這個特點，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。 利用機載LiDAR系統(tǒng)進行測高作業(yè)，根據(jù)不同的航高，其平面精度可以達到0.15～1 m，高程精度可達到10～30cm， 地面分辨率甚至可達到厘米級。

　　3 、LiDAR特點及優(yōu)勢

　　3.1、 采用激光探測技術，直接獲取地物三維坐標，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，三維激光點云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)同時獲取；

　　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)同步進行，內業(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，可廣泛應用于公路勘測的各個階段。

　　4、LiDAR技術在新建山區(qū)公路勘測中的運用

　　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進行精確填、挖土石方量計算；

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

　　4.5、 三維可視化設計：多視角真三維設計場景，可實時交互操作；

　　4.6、 地畝圖勘界及林勘數(shù)量統(tǒng)計：根據(jù)三維點云、DOM影響數(shù)據(jù)，提取樹種、樹高等信息，進行現(xiàn)場勘界復核、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、結語

　　機載激光雷達采用激光主動測量，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計要求，不僅保證了工程質量的準確性，更加保證了工程工期的可控。機載激光雷達在公路勘察設計的研究與應用，創(chuàng)新了山區(qū)公路測設的手段與方法，使山區(qū)公路交通建設的技術水平上升到一個新高度。

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