基于機載激光(guāng)LIDAR的(de)工程測量技術實例探討(tǎo)

　　機載激光(guāng)雷達系統（Light Detection And Ranging，簡稱LIDAR），也(yě)叫機載激光(guāng)雷達，是一種安裝在飛(fēi)機上的(de)機載激光(guāng)探測和(hé)測距系統，它集成了(le)激光(guāng)掃描儀、差分(fēn)GPS系統、IMU（Inertial Measurement Unit，慣性量測單元，用(yòng)以量測飛(fēi)機平台的(de)飛(fēi)行姿态）、數碼相機。在動态載波相位差分(fēn)GPS系統和(hé)IMU的(de)支持下(xià)，激光(guāng)掃描系統通(tōng)過激光(guāng)掃描器和(hé)距離傳感器，經由微計算(suàn)機對(duì)測量資料進行内部處理(lǐ)，顯示或存儲、輸出距離和(hé)角度等資料，并與距離傳感器獲取的(de)數據相匹配，經過相應軟件進行一系列處理(lǐ)來(lái)獲取被測目标的(de)表面形态和(hé)三維坐(zuò)标數據，從而進行各種量算(suàn)或建立立體模型。

　　1、LIDAR數據獲取的(de)基本原理(lǐ)

　　當機載LIDAR航攝飛(fēi)行時(shí)，激光(guāng)掃描儀發射、接收激光(guāng)束，對(duì)地面進行線狀掃描，與此同時(shí)，動态GPS系統确定傳感器的(de)空間位置（經緯度），IMU測量飛(fēi)機的(de)實時(shí)姿态數據，即滾動、仰俯和(hé)航偏角。由于系統的(de)幾個(gè)部分(fēn)同步工作并集成于一體，GPS和(hé)IMU的(de)數據融合極爲方便，所以經後期地面數據處理(lǐ)後，即可(kě)獲取地面的(de)三維數據。

　　2、 LIDAR用(yòng)于高(gāo)速公路線路優化(huà)設計的(de)模式

　　三維激光(guāng)雷達技術應用(yòng)于高(gāo)速公路線路優化(huà)設計包括數據獲取、數據處理(lǐ)、優化(huà)設計等工作内容。

　　（1）原始數據采集：在航飛(fēi)前要制訂飛(fēi)行計劃，安置全球定位系統接收機、激光(guāng)掃描測量、慣性測量、數碼相機等。（2）基礎數據處理(lǐ)：機載激光(guāng)雷達測量系統在野外采集得(de)到的(de)數據需要進行一定的(de)處理(lǐ)才能得(de)到需要的(de)信息。數據處理(lǐ)的(de)内容包括：确定航迹、激光(guāng)掃描測量數據處理(lǐ)、數據分(fēn)類處理(lǐ)、坐(zuò)标匹配、影(yǐng)像數據的(de)定向和(hé)鑲嵌、建立三維地形模型。（3）線路優化(huà)設計：以高(gāo)精度、高(gāo)分(fēn)辨率正射影(yǐng)像和(hé)激光(guāng)點雲數據、數字高(gāo)程模型數據爲基礎，采用(yòng)二、三維結合方式，結合架空高(gāo)速公路線路設計業務需求，采用(yòng)多(duō)人(rén)協同設計，實現高(gāo)速公路線路路徑優化(huà)設計的(de)一體化(huà)全流程應用(yòng)。

　　3、 工程應用(yòng)實例

　　3.1 工程概況

　　針對(duì)某高(gāo)速公路線路工程（線路長(cháng)度約爲130km）。多(duō)爲山地地形。植被以稀疏灌木(mù)林(lín)爲主，局部間雜(zá)茂密，交通(tōng)條件一般。

　　3.2 激光(guāng)測量系統檢校

　　将機載激光(guāng)測量系統安裝到飛(fēi)行器上後，首先必須進行系統檢校，以獲取相關參數，保證數據精度。包括激光(guāng)掃描儀的(de)檢校和(hé)數碼相機的(de)檢校，必須按照(zhào)相關技術手冊進行。

　　3.3 地面設GPS基準站

　　激光(guāng)飛(fēi)行時(shí)需在地面布設GPS基準站，旨在航攝期間連續獲取與機載GPS同步的(de)觀測數據，通(tōng)過事後聯合差分(fēn)解算(suàn)機載GPS軌迹。相鄰基站間最大(dà)間距不得(de)超過60km。

　　3.4 實施航空攝影(yǐng)飛(fēi)行

　　根據激光(guāng)測量系統的(de)檢校參數，結合工程設計的(de)航帶，确定作業飛(fēi)機的(de)飛(fēi)行參數及測量參數，選擇合适的(de)影(yǐng)像地面采樣率、帶寬和(hé)激光(guāng)點間距等參數，實施航飛(fēi)過程。

　　3.5 數據處理(lǐ)

　　将機載激光(guāng)掃描測量數據轉化(huà)爲線路勘測設計數據大(dà)緻要經過下(xià)列幾個(gè)步驟。

　　3.5.1 構建數字化(huà)立體作業平台

　　利用(yòng)激光(guāng)掃描測量系統所獲取的(de)DEM數據和(hé)正射影(yǐng)像數據，恢複測區(qū)立體模型，并在此基礎上對(duì)線路路徑進行優化(huà)。由于該系統所産生的(de)三維立體模型是以正射影(yǐng)像數據爲紋理(lǐ)、以實測的(de)激光(guāng)點雲數據爲基礎建立起來(lái)的(de)真三維實體，可(kě)以從不同角度對(duì)同一地方進行觀察。因此，以此立體模型作爲選線平台，可(kě)以大(dà)大(dà)提高(gāo)選線結果的(de)可(kě)信度和(hé)可(kě)靠性，使線路路徑走向更加經濟合理(lǐ)。

　　3.5.2 制作DEM、DSM和(hé)DOM

　　采用(yòng)專業軟件，導入激光(guāng)點數據，設置分(fēn)析參數，進行自動分(fēn)類，區(qū)别地面、房(fáng)屋、植被等，經分(fēn)析對(duì)比，目前自動分(fēn)類準确率僅爲20%～30%。在此基礎上采用(yòng)人(rén)工幹預方式結合影(yǐng)像進行精确分(fēn)類，得(de)到準确的(de)數字高(gāo)程模型和(hé)數字表面模型和(hé)房(fáng)屋等信息。采用(yòng)數碼影(yǐng)像和(hé)精度更高(gāo)的(de)激光(guāng)數據，經過糾正、鑲嵌，可(kě)以獲取比傳統方法更加精确的(de)正射影(yǐng)像圖（DOM）。

　　3.5.3 制作平斷面圖

　　平斷面圖是高(gāo)速公路線路勘測的(de)主要成果之一。平面圖通(tōng)過立體作業平台獲取。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(guāng)掃描測量系統所采集的(de)點密度非常大(dà)，精度也(yě)較高(gāo)，所含信息豐富，使得(de)中線、邊線斷面可(kě)以同時(shí)獲取DEM和(hé)DSM兩種數據，并且更加貼近真實地表，更好地服務于計算(suàn)機的(de)自動優化(huà)排位。

　　4、 結語

　　實踐證明(míng)三維激光(guāng)雷達技術，用(yòng)于高(gāo)速公路線路等工程優化(huà)設計具有創新性和(hé)代表性，打破了(le)傳統設計的(de)方式方法，從數據獲取及處理(lǐ)、初步設計、優化(huà)設計、終勘定位、三維模拟、運營維護管理(lǐ)等方面建立了(le)一體化(huà)的(de)、三維可(kě)視化(huà)的(de)系統性技術體系和(hé)支撐平台。随著(zhe)三維激光(guāng)雷達技術與相關技術的(de)進一步融合，将會對(duì)高(gāo)速公路工程的(de)設計運營産生深遠(yuǎn)影(yǐng)響，三維智能數字高(gāo)速公路将真正成爲可(kě)能。（1）三維激光(guāng)雷達技術使整個(gè)高(gāo)速公路、火車站基于三維真實場(chǎng)景，并與實時(shí)監測、視頻(pín)等于一體的(de)可(kě)視化(huà)成爲可(kě)能。（2）三維激光(guāng)雷達技術與三維可(kě)視化(huà)技術、專家知識技術的(de)融合，實現高(gāo)速公路的(de)三維可(kě)視化(huà)、智能化(huà)的(de)仿真成爲可(kě)能；基于三維激光(guāng)雷達技術等獲取的(de)專家知識庫，可(kě)以實現暴雪(xuě)、暴雨(yǔ)、泥石流等對(duì)高(gāo)速公路的(de)影(yǐng)響，實現高(gāo)速公路安全的(de)智能化(huà)預警、應急調度及防治。

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