機載激光雷達系統(Light Detection And Ranging,簡(jiǎn)稱(chēng)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,它集成了激光掃描儀、差分GPS系統、IMU(Inertial Measurement Unit,慣性量測單元,用以量測飛機平臺的飛行姿態(tài))、數碼相機。在動(dòng)態(tài)載波相位差分GPS系統和IMU的支持下,激光掃描系統通過(guò)激光掃描器和距離傳感器,經(jīng)由微計算機對測量資料進(jìn)行內部處理,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據相匹配,經(jīng)過(guò)相應軟件進(jìn)行一系列處理來(lái)獲取被測目標的表面形態(tài)和三維坐標數據,從而進(jìn)行各種量算或建立立體模型。
1、LIDAR數據獲取的基本原理
當機載LIDAR航攝飛行時(shí),激光掃描儀發(fā)射、接收激光束,對地面進(jìn)行線(xiàn)狀掃描,與此同時(shí),動(dòng)態(tài)GPS系統確定傳感器的空間位置(經(jīng)緯度),IMU測量飛機的實(shí)時(shí)姿態(tài)數據,即滾動(dòng)、仰俯和航偏角。由于系統的幾個(gè)部分同步工作并集成于一體,GPS和IMU的數據融合極為方便,所以經(jīng)后期地面數據處理后,即可獲取地面的三維數據。
2、 LIDAR用于高速公路線(xiàn)路優(yōu)化設計的模式
三維激光雷達技術(shù)應用于高速公路線(xiàn)路優(yōu)化設計包括數據獲取、數據處理、優(yōu)化設計等工作內容。
?。?)原始數據采集:在航飛前要制訂飛行計劃,安置全球定位系統接收機、激光掃描測量、慣性測量、數碼相機等。(2)基礎數據處理:機載激光雷達測量系統在野外采集得到的數據需要進(jìn)行一定的處理才能得到需要的信息。數據處理的內容包括:確定航跡、激光掃描測量數據處理、數據分類(lèi)處理、坐標匹配、影像數據的定向和鑲嵌、建立三維地形模型。(3)線(xiàn)路優(yōu)化設計:以高精度、高分辨率正射影像和激光點(diǎn)云數據、數字高程模型數據為基礎,采用二、三維結合方式,結合架空高速公路線(xiàn)路設計業(yè)務(wù)需求,采用多人協(xié)同設計,實(shí)現高速公路線(xiàn)路路徑優(yōu)化設計的一體化全流程應用。
3、 工程應用實(shí)例
3.1 工程概況
針對某高速公路線(xiàn)路工程(線(xiàn)路長(cháng)度約為130km)。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 激光測量系統檢校
將機載激光測量系統安裝到飛行器上后,首先必須進(jìn)行系統檢校,以獲取相關(guān)參數,保證數據精度。包括激光掃描儀的檢校和數碼相機的檢校,必須按照相關(guān)技術(shù)手冊進(jìn)行。
3.3 地面設GPS基準站
激光飛行時(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同步的觀(guān)測數據,通過(guò)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(guò)60km。
3.4 實(shí)施航空攝影飛行
根據激光測量系統的檢校參數,結合工程設計的航帶,確定作業(yè)飛機的飛行參數及測量參數,選擇合適的影像地面采樣率、帶寬和激光點(diǎn)間距等參數,實(shí)施航飛過(guò)程。
3.5 數據處理
將機載激光掃描測量數據轉化為線(xiàn)路勘測設計數據大致要經(jīng)過(guò)下列幾個(gè)步驟。
3.5.1 構建數字化立體作業(yè)平臺
利用激光掃描測量系統所獲取的DEM數據和正射影像數據,恢復測區立體模型,并在此基礎上對線(xiàn)路路徑進(jìn)行優(yōu)化。由于該系統所產(chǎn)生的三維立體模型是以正射影像數據為紋理、以實(shí)測的激光點(diǎn)云數據為基礎建立起來(lái)的真三維實(shí)體,可以從不同角度對同一地方進(jìn)行觀(guān)察。因此,以此立體模型作為選線(xiàn)平臺,可以大大提高選線(xiàn)結果的可信度和可靠性,使線(xiàn)路路徑走向更加經(jīng)濟合理。
采用專(zhuān)業(yè)軟件,導入激光點(diǎn)數據,設置分析參數,進(jìn)行自動(dòng)分類(lèi),區別地面、房屋、植被等,經(jīng)分析對比,目前自動(dòng)分類(lèi)準確率僅為20%~30%。在此基礎上采用人工干預方式結合影像進(jìn)行精確分類(lèi),得到準確的數字高程模型和數字表面模型和房屋等信息。采用數碼影像和精度更高的激光數據,經(jīng)過(guò)糾正、鑲嵌,可以獲取比傳統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(xiàn)路勘測的主要成果之一。平面圖通過(guò)立體作業(yè)平臺獲取。在斷面圖繪制中,中線(xiàn)、邊線(xiàn)斷面及風(fēng)偏危險點(diǎn)從DEM中自動(dòng)提取。由于激光掃描測量系統所采集的點(diǎn)密度非常大,精度也較高,所含信息豐富,使得中線(xiàn)、邊線(xiàn)斷面可以同時(shí)獲取DEM和DSM兩種數據,并且更加貼近真實(shí)地表,更好地服務(wù)于計算機的自動(dòng)優(yōu)化排位。
4、 結語(yǔ)
實(shí)踐證明三維激光雷達技術(shù),用于高速公路線(xiàn)路等工程優(yōu)化設計具有創(chuàng )新性和代表性,打破了傳統設計的方式方法,從數據獲取及處理、初步設計、優(yōu)化設計、終勘定位、三維模擬、運營(yíng)維護管理等方面建立了一體化的、三維可視化的系統性技術(shù)體系和支撐平臺。隨著(zhù)三維激光雷達技術(shù)與相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步融合,將會(huì )對高速公路工程的設計運營(yíng)產(chǎn)生深遠影響,三維智能數字高速公路將真正成為可能。(1)三維激光雷達技術(shù)使整個(gè)高速公路、火車(chē)站基于三維真實(shí)場(chǎng)景,并與實(shí)時(shí)監測、視頻等于一體的可視化成為可能。(2)三維激光雷達技術(shù)與三維可視化技術(shù)、專(zhuān)家知識技術(shù)的融合,實(shí)現高速公路的三維可視化、智能化的仿真成為可能;基于三維激光雷達技術(shù)等獲取的專(zhuān)家知識庫,可以實(shí)現暴雪、暴雨、泥石流等對高速公路的影響,實(shí)現高速公路安全的智能化預警、應急調度及防治。
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