LiDAR在道路勘測中的(de)應用(yòng)

發布日期：2019-08-29 00:00 浏覽量：9724

LIDAR全名LightDetectionAndRanging，是一種激光(guāng)掃描測量技術，它利用(yòng)GPS和(hé)IMU(慣性測量裝置)定位定姿的(de)機載。它利用(yòng)激光(guāng)掃描儀對(duì)地面進行連續掃描，直接獲取三維激光(guāng)點雲，利用(yòng)分(fēn)類技術将建築物(wù)移除、覆蓋植物(wù)等測點，保留地表測點，即可(kě)獲得(de)數字高(gāo)程模型(DEM)。配合搭載數碼相機所拍(pāi)攝的(de)高(gāo)分(fēn)辨率數碼影(yǐng)像，進而生産數字線劃圖(DLG)。

一、相較于傳統的(de)航空攝影(yǐng)測量技術

機載激光(guāng)雷達技術屬于半主動式直接測量技術，相較于傳統的(de)航空攝影(yǐng)測量技術，可(kě)大(dà)幅減少測量工序及人(rén)工觀測制圖的(de)工作量，并且機載激光(guāng)雷達是一種成本低、效率高(gāo)的(de)空間數據獲取方法。其絕對(duì)精度可(kě)在0.1～0.5m之間。它的(de)優勢在于對(duì)大(dà)範圍、沿岸島礁海區(qū)、不可(kě)進入地區(qū)(如沙漠地區(qū)、沼澤等)、植被下(xià)層，以及地面與非地面數據的(de)快(kuài)速獲取。而這(zhè)正是用(yòng)其他(tā)方法所不能得(de)到的(de)，或是在高(gāo)昂成本下(xià)才能獲得(de)的(de)。因此，LIDAR技術爲困難地區(qū)提供了(le)一種方便、快(kuài)速、節省的(de)空間數據獲取方法，是近年來(lái)應用(yòng)越來(lái)越廣泛的(de)測量技術的(de)一種。

二、機載激光(guāng)雷達技術具有其獨特的(de)優勢

1．全天候數據獲取，不受太陽高(gāo)度角、能見度等外界因素影(yǐng)響，可(kě)全天候作業。傳統航空攝影(yǐng)測量由于采用(yòng)被動遙感，無法在特定時(shí)段作業。而作爲新型主動遙感設備，LIDAR數據獲取采用(yòng)自身能源發射脈沖，不受這(zhè)些因素影(yǐng)響。

2．地面控制簡便，傳統航空攝影(yǐng)測量需配合大(dà)量選、刺點工作完成空三加密，且常受到地物(wù)辨識度低、天氣、測量精度等因素的(de)影(yǐng)響，地面控制繁瑣。而LIDAR航拍(pāi)，地面控制點要求少。

3．直接獲取DEM與DSM，傳統攝影(yǐng)測量方法獲取測區(qū)地形數據，主要是基于立體像對(duì)提取，對(duì)于不同天氣、不同時(shí)相條件下(xià)的(de)立體像對(duì)，地形數據的(de)質量、效率和(hé)可(kě)靠性得(de)不到有效保障。由于激光(guāng)脈沖回波的(de)多(duō)值性，機載激光(guāng)雷達技術可(kě)同時(shí)量測地面和(hé)非地面信息。通(tōng)過濾波與分(fēn)類處理(lǐ)，可(kě)直接獲取測區(qū)數字高(gāo)程模型(DEM)與數字表面模型(DSM)。

4．數據處理(lǐ)快(kuài)速、精度質量高(gāo)LIDAR數據獲取後，采用(yòng)配套數據處理(lǐ)軟件便可(kě)獲得(de)生産成果。同時(shí)，由于點雲密度遠(yuǎn)大(dà)于傳統地面測量，數據精度遠(yuǎn)高(gāo)于傳統測量方法。

5．斷面數據采集的(de)高(gāo)效率及準确性LIDAR傳感器發射的(de)激光(guāng)脈沖能部分(fēn)地穿透樹林(lín)遮擋，直接獲取高(gāo)精度三維地表地形數據。LIDAR數據經過相關軟件數據處理(lǐ)後，可(kě)以生成高(gāo)精度的(de)數字地面模型、等高(gāo)線圖，具有傳統攝影(yǐng)測量和(hé)地面常規測量技術無法取代的(de)優越性。

三、機載LiDAR數據獲取

1、航線規劃是在數據獲取前非常重要的(de)工作，它的(de)目的(de)在于确定LiDAR系統載體的(de)飛(fēi)行線路，爲數據采集過程實現導航，保證全面、正确地獲取符合要求的(de)激光(guāng)數據。在具體的(de)規劃中還(hái)需要知道選用(yòng)的(de)橢球标準和(hé)投影(yǐng)方式，這(zhè)對(duì)于大(dà)片或者帶狀區(qū)域意義重大(dà)。

飛(fēi)行高(gāo)度、激光(guāng)發射頻(pín)率和(hé)掃描角共同決定了(le)激光(guāng)點雲的(de)密度，決定成果的(de)分(fēn)辨率，不同的(de)飛(fēi)行高(gāo)度對(duì)激光(guāng)發射頻(pín)率上限有不同的(de)要求，所以在飛(fēi)行進行之前需要綜合考慮。同時(shí)爲了(le)得(de)到均勻分(fēn)布點雲，對(duì)飛(fēi)行器的(de)飛(fēi)行速度也(yě)會有相應的(de)要求，飛(fēi)行器一般有最低速度限制，需要激光(guāng)器設置調整。對(duì)于集成了(le)各類相機的(de)系統，還(hái)需控制航帶和(hé)曝光(guāng)點來(lái)滿足重疊率的(de)要求。

2、地面GPS基站布設對(duì)于帶狀的(de)測區(qū)，需要沿道路方向每隔一段距離布設一個(gè)GPS基站，根據GPS差分(fēn)原理(lǐ)以及項目實際基線長(cháng)度應該控制在适合的(de)範圍，一般在20km以内，這(zhè)樣才能達到GPS差分(fēn)效果的(de)最優化(huà)。在機載LiDAR系統采集數據之前，設定好一緻采樣頻(pín)率。并且開機工作，保證系統GPS工作時(shí)間有地面基站與其差分(fēn)。

3、确保獲取數據的(de)質量。爲了(le)得(de)到全面、精确、符合要求的(de)點雲數據，應該在數據采集前做(zuò)好充分(fēn)的(de)準備，采集過程中密切關注數據采集和(hé)存儲情況。對(duì)于儀器懸挂在飛(fēi)行器外面的(de)情況，要做(zuò)好防風防雨(yǔ)措施，導航和(hé)存儲單元應保證其散熱(rè)良好，飛(fēi)行器飛(fēi)行中會連帶激光(guāng)器産生高(gāo)頻(pín)震動，系統的(de)搭載器件在牢固的(de)前提下(xià)應做(zuò)好減震防護。

四、LiDAR在道路勘測中的(de)應用(yòng)

1.制作DTM和(hé)DSM數字地面模型(DTM)是利用(yòng)一個(gè)坐(zuò)标系中的(de)大(dà)量已知坐(zuò)标，得(de)到的(de)連續的(de)帶有地理(lǐ)特征地面模型，還(hái)包括坡度坡向特性。

具體實現主要以TIN三角網或者規則格網爲基礎來(lái)建立數字地面模型，數字地表模型(DSM)是對(duì)地球表面各類地物(wù)和(hé)綜合描述。二者的(de)區(qū)别在于前者是去除掉植被，建築物(wù)等物(wù)體後，反映地球表面最根本的(de)構造模型，而DSM則包括植被和(hé)各種建築。DTM對(duì)于道路勘測的(de)作用(yòng)十分(fēn)重要，通(tōng)過它能夠迅速得(de)到關鍵區(qū)域的(de)橫斷面;激光(guāng)具有穿透特性，根據激光(guāng)波的(de)強度和(hé)回波信息可(kě)以實現地面和(hé)植被的(de)分(fēn)離，LiDAR建立的(de)地面模型相比航拍(pāi)具有更好的(de)精度水(shuǐ)平，尤其是高(gāo)程方面，并且與GPSRTK方法相比，能節省大(dà)量的(de)資源和(hé)時(shí)間，根據其精确的(de)高(gāo)程數據，有利于勘測過程中土方量的(de)計算(suàn)。根據DTM還(hái)能生成等高(gāo)線圖和(hé)各類地形圖，可(kě)以滿足勘測設計需要。

2.與其他(tā)數據相互融合，機載LiDAR系統所采集的(de)數據缺少相應的(de)紋理(lǐ)和(hé)光(guāng)譜信息，爲了(le)使獲取的(de)信息更加全面，可(kě)以利用(yòng)高(gāo)分(fēn)辨率數碼相機甚至高(gāo)光(guāng)譜相機同步獲取地面的(de)真彩影(yǐng)像信息。

LiDAR系統自帶了(le)高(gāo)精度POS系統(GPS和(hé)IMU)，得(de)到的(de)POS數據可(kě)以與相機共享，采用(yòng)POS系統輔助光(guāng)束法來(lái)生成正射影(yǐng)像。激光(guāng)數據具有明(míng)顯的(de)三維特征，這(zhè)兩種數據融合能夠将各自的(de)優勢集合起來(lái)，生成的(de)三維模型也(yě)更加逼真。可(kě)以将正射影(yǐng)像和(hé)處理(lǐ)好的(de)點雲數據通(tōng)過同一标準的(de)地理(lǐ)坐(zuò)标實現激光(guāng)點和(hé)相元的(de)一一對(duì)應，把相元的(de)色彩和(hé)光(guāng)譜信息賦到激光(guāng)點上。

還(hái)可(kě)以在LiDAR數據輔助下(xià)采用(yòng)多(duō)種算(suàn)法對(duì)高(gāo)分(fēn)影(yǐng)像進行輪廓提取，然後通(tōng)過激光(guāng)點雲的(de)高(gāo)程信息完成目标區(qū)域的(de)三維重建，這(zhè)種以各類影(yǐng)像爲基礎，通(tōng)過實現建築物(wù)三維重建的(de)融合手段已經在電子地圖方面得(de)到了(le)應用(yòng)。

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