基于機載激光LIDAR的工程測量技術(shù)實(shí)例探討

　　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。

　　3.5.2 制作DEM、DSM和DOM

　　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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