LiDAR技術(shù)在山區道路勘察測量中的應用

　　1、前言

　　在山區公路勘察過(guò)程中，線(xiàn)路所經(jīng)范圍大多由于地形復雜，測繪人員無(wú)法到達，給常規勘測方法和手段帶來(lái)極大困難。以重慶巫溪縣至陜西鎮平縣高速公路為例，路線(xiàn)經(jīng)過(guò)區域地貌以山地為主，山地占95％以上，個(gè)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，按傳統勘測方法，很難按時(shí)保質(zhì)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(xiàn)和結構物縱橫斷面測繪。為了解決上述問(wèn)題，擬采用目前技術(shù)最先進(jìn)國內較成熟的能實(shí)時(shí)獲取地形表面三維空間信息和影像的航空遙感新技術(shù)即機載三維激光雷達掃描（簡(jiǎn)稱(chēng)LiDAR）勘測新技術(shù)。與傳統遙感技術(shù)相比較具有自動(dòng)化程度高、受天氣影響小、數據生產(chǎn)周期短、精度高等技術(shù)特點(diǎn)。

　　2、LiDAR 技術(shù)原理

　　LiDAR系統通常由以下部分組成：POS系統，傳感器系統，采集管理系統，存儲與控制系統。其中POS系統由GPS定位系統和IMU慣性導航系統組成。GPS定位系統通過(guò)差分精確測定傳感器的空間位置，IMU慣性導航系統精確記錄飛行姿態(tài)，激光傳感器通過(guò)計算激光回波時(shí)間，精確記錄傳感器與地物回波點(diǎn)之間的距離，由此可直接測量地面及地物各個(gè)點(diǎn)的三維坐標。

　　使用激光進(jìn)行距離量測可大大提高了數據采集的可靠性和抗干擾能力。當來(lái)自激光器的激光射到一個(gè)物體的表面時(shí)，其中一部分光會(huì )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(shí)間為2t后，那么激光器到反射物體的距離d=光速(c)×時(shí)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(gè)激光點(diǎn)的大地坐標 (x,y,z)，大量的激光點(diǎn)聚集成激光點(diǎn)云，組成點(diǎn)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(gè)脈沖到每秒幾萬(wàn)個(gè)脈沖，拿頻率為每秒一萬(wàn)次脈沖的系統來(lái)說(shuō)，接收器將會(huì )在一分鐘內記錄六十萬(wàn)個(gè)點(diǎn)。LiDAR系統還能記錄同一脈沖的多次反射，激光束可能先打在樹(shù)冠的項端，其中的一部繼續向下打在更多的樹(shù)葉或枝干上，有些甚至打在地面上被返回，這樣就會(huì )有一組多次返回的具有(x,y,z)坐標的點(diǎn)記錄，并分層表示。利用這個(gè)特點(diǎn)，我們可以通過(guò)分類(lèi)和濾波處理，獲取地面高程以及樹(shù)高及建筑物的高度等信息。 利用機載LiDAR系統進(jìn)行測高作業(yè)，根據不同的航高，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(diǎn)及優(yōu)勢

　　3.1、 采用激光探測技術(shù)，直接獲取地物三維坐標，采集數據精度高；

　　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，傳統航攝在植被密集區域不能獲取地面數據；

　　3.3、 多傳感器集成，三維激光點(diǎn)云數據與影像數據同時(shí)獲??；

　　3.4、 少或無(wú)地面控制作業(yè)，大大減少外業(yè)工作量，特別適合困難地區作業(yè)；

　　3.5 、航飛采集與控制作業(yè)同步進(jìn)行，內業(yè)處理流程少，生產(chǎn)效率高；

　　3.6、 不獲取影像數據的情況下，激光對天氣要求相對寬松，具備全天時(shí)作業(yè)能力；

　　3.7 、獲取的數據信息全，可廣泛應用于公路勘測的各個(gè)階段。

　　4、LiDAR技術(shù)在新建山區公路勘測中的運用

　　4.1、 困難地區勘測：適用于高山峽谷、森林、無(wú)人區、沼澤等地形地貌復雜地區勘測；

　　4.2、 公路走廊帶高精度DEM數據：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(xiàn)走向；

　　4.3 、土石方量計算：基于DEM進(jìn)行精確填、挖土石方量計算；

　　4.4、 真實(shí)地形斷面量測：利用LiDAR多回波技術(shù)及基于點(diǎn)云、DEM、DSM數據成果，室內任意量測斷面，數據準，效率高；

　　4.5、 三維可視化設計：多視角真三維設計場(chǎng)景，可實(shí)時(shí)交互操作；

　　4.6、 地畝圖勘界及林勘數量統計：根據三維點(diǎn)云、DOM影響數據，提取樹(shù)種、樹(shù)高等信息，進(jìn)行現場(chǎng)勘界復核、林業(yè)砍伐面積及數量統計、以及生態(tài)環(huán)境影響程度評估等。

　　LiDAR提供的數據產(chǎn)品包括：激光點(diǎn)云數據、三維地表模型（DSM）、數字高程模型（DEM）、數字正射影像（DOM）、數字線(xiàn)劃地圖（DLG）、道路要素三維矢量圖等。

　　5、結語(yǔ)

　　機載激光雷達采用激光主動(dòng)測量，克服地形、植被的影響，對天氣條件相對寬松，數據成果直接滿(mǎn)足公路詳測與施工圖設計要求，不僅保證了工程質(zhì)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 )新了山區公路測設的手段與方法，使山區公路交通建設的技術(shù)水平上升到一個(gè)新高度。

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