基于LIDAR的工程測量技術探討

向福國++付光輝

摘 要：三維激光雷達技術應用于高速公路線路優化設計包括數據獲取、數據處理、優化設計等工作內容。GPS和IMU的數據融合極為方便，所以經后期地面數據處理后，即可獲取地面的三維數據。實踐證明三維激光雷達技術，用于高速公路線路等工程優化設計具有創新性和代表性，打破了傳統設計的方式方法。

關鍵詞：LIDAR 高速公路線路 優化 DEM

中圖分類號：TB22 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（b）-0043-01

機載激光雷達系統（Light Detection And Ranging，簡稱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）、數碼相機。在動態載波相位差分GPS系統和IMU的支持下，激光掃描系統通過激光掃描器和距離傳感器，經由微計算機對測量資料進行內部處理，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，經過相應軟件進行一系列處理來獲取被測目標的表面形態和三維坐標數據，從而進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，激光掃描儀發射、接收激光束，對地面進行線狀掃描，與此同時，動態GPS系統確定傳感器的空間位置（經緯度），IMU測量飛機的實時姿態數據，即滾動、仰俯和航偏角。由于系統的幾個部分同步工作并集成于一體，GPS和IMU的數據融合極為方便，所以經后期地面數據處理后，即可獲取地面的三維數據（如圖1所示）。

2 LIDAR用于高速公路線路優化設計的模式

三維激光雷達技術應用于高速公路線路優化設計包括數據獲取、數據處理、優化設計等工作內容。

（1）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）線路優化設計：以高精度、高分辨率正射影像和激光點云數據、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路設計業務需求，采用多人協同設計，實現高速公路線路路徑優化設計的一體化全流程應用。

3 工程應用實例

3.1 工程概況

針對某高速公路線路工程（線路長度約為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，首先必須進行系統檢校，以獲取相關參數，保證數據精度。包括激光掃描儀的檢校和數碼相機的檢校，必須按照相關技術手冊進行。

3.3 地面設GPS基準站

激光飛行時需在地面布設GPS基準站，旨在航攝期間連續獲取與機載GPS同步的觀測數據，通過事后聯合差分解算機載GPS軌跡。相鄰基站間最大間距不得超過60km。

3.4 實施航空攝影飛行

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、帶寬和激光點間距等參數，實施航飛過程。

3.5 數據處理

將機載激光掃描測量數據轉化為線路勘測設計數據大致要經過下列幾個步驟。

3.5.1 構建數字化立體作業平臺

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，并在此基礎上對線路路徑進行優化。由于該系統所產生的三維立體模型是以正射影像數據為紋理、以實測的激光點云數據為基礎建立起來的真三維實體，可以從不同角度對同一地方進行觀察。因此，以此立體模型作為選線平臺，可以大大提高選線結果的可信度和可靠性，使線路路徑走向更加經濟合理。

3.5.2 制作DEM、DSM和DOM

采用專業軟件，導入激光點數據，設置分析參數，進行自動分類，區別地面、房屋、植被等，經分析對比，目前自動分類準確率僅為20%～30%。在此基礎上采用人工干預方式結合影像進行精確分類，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，經過糾正、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路勘測的主要成果之一。平面圖通過立體作業平臺獲取。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。由于激光掃描測量系統所采集的點密度非常大，精度也較高，所含信息豐富，使得中線、邊線斷面可以同時獲取DEM和DSM兩種數據，并且更加貼近真實地表，更好地服務于計算機的自動優化排位。

4 結語

實踐證明三維激光雷達技術，用于高速公路線路等工程優化設計具有創新性和代表性，打破了傳統設計的方式方法，從數據獲取及處理、初步設計、優化設計、終勘定位、三維模擬、運營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體系和支撐平臺。隨著三維激光雷達技術與相關技術的進一步融合，將會對高速公路工程的設計運營產生深遠影響，三維智能數字高速公路將真正成為可能。（1）三維激光雷達技術使整個高速公路、火車站基于三維真實場景，并與實時監測、視頻等于一體的可視化成為可能。（2）三維激光雷達技術與三維可視化技術、專家知識技術的融合，實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等獲取的專家知識庫，可以實現暴雪、暴雨、泥石流等對高速公路的影響，實現高速公路安全的智能化預警、應急調度及防治。

參考文獻

[1] 張祖勛，張劍清.數字攝影測量學[M].武漢：武漢測繪科技大學出版社，1997.

[2] 程正逢，王盛才，石克勤，等.航空激光掃描測量系統在國外工程中的應用[J].地理空間信息，2003（3）：40-43.endprint