機(jī)載三維激光掃描技術(shù)在公路勘測中的應(yīng)用初探

張巨鵬

（新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，烏魯木齊830006）

1 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國現(xiàn)有公路所承受的交通壓力越來越大，而我國的高速公路輻射面積也越來越廣。在新疆，越來越多的公路工程也展開建設(shè)，在山區(qū)以及高原等地方，必須要擁有更高的公路勘測技術(shù)，才能夠達(dá)到公路勘測的精度以及速度要求。而LIDAR 技術(shù)是集激光掃描儀、差分GPS 系統(tǒng)、IMU、數(shù)碼相機(jī)于一體的機(jī)載三維激光掃描技術(shù)，在公路勘測中的發(fā)揮著十分重要的作用。

2 LIDAR 技術(shù)的應(yīng)用原理

LIDAR 技術(shù)是一種新型的技術(shù)，在IMU 以及動態(tài)載波相位差分GPS 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在激光掃描系統(tǒng)以及微計算機(jī)的輔助下，對測量資料進(jìn)行內(nèi)部處理，并將距離或者角度等資料進(jìn)行顯示、存儲或者輸出，然后再與距離傳感器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對和匹配。然后再在一系列軟件的共同作用下確定測量目標(biāo)的表面形態(tài)，獲得相應(yīng)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。在擁有了這些數(shù)據(jù)和形態(tài)之后，就可以進(jìn)行各種類型的量算，或者進(jìn)行相應(yīng)立體模型的構(gòu)建。

首先，機(jī)載LIDAR 在飛行拍攝的過程中，激光掃描儀就可以通過其特定的激光束的發(fā)射與接收對地面進(jìn)行線狀掃描。同時動態(tài)載波差分GPS 系統(tǒng)就可以對傳感器的經(jīng)緯度進(jìn)行明確，IMU 可以對飛機(jī)的姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時測量，確定飛機(jī)的滾動、仰俯以及航偏角。而且系統(tǒng)的幾個組成部分可以實現(xiàn)同步工作，所以可以很方便地將GPS 系統(tǒng)與IMU 的數(shù)據(jù)進(jìn)行充分融合，然后再經(jīng)過地面數(shù)據(jù)處理之后，生成地面三維數(shù)據(jù)。

3 LIDAR 技術(shù)在公路勘測中的應(yīng)用優(yōu)勢

LIDAR 技術(shù)在公路勘測中的應(yīng)用具有以下六大優(yōu)勢。第一，工作速度快。因為LIDAR 技術(shù)可以迅速獲取較大范圍內(nèi)的空間實體數(shù)據(jù)，從而及時測量明確實體平面的三維數(shù)據(jù)，并與智能化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合。第二，不需要直接接觸被測目標(biāo)。針對一些勘測人員無法到達(dá)的區(qū)域，或者地勢比較危險的地段，就可以應(yīng)用LIDAR 技術(shù)完成掃描測繪任務(wù)。第三，具有很強(qiáng)的穿透性。激光本身就有很強(qiáng)的穿透性，可以通過LIDAR技術(shù)中的激光掃描儀直接獲得目標(biāo)物不同層面的幾何數(shù)據(jù)，進(jìn)而完成樣本的測繪。第四，密度和精度都非常高，LIDAR 技術(shù)可以以精密度較高的傳感技術(shù)、以及智能化的三維式進(jìn)行目標(biāo)物各種信息和數(shù)據(jù)的搜集和測繪，極大的避免了人工測繪產(chǎn)生的誤差。第五，具有很強(qiáng)的及時性、直觀性以及主動性。LIDAR 技術(shù)不受時間和空間的影響，通過自身的激光脈沖信號的發(fā)射與收集來進(jìn)行目標(biāo)物樣貌的描述。第六，智能化和數(shù)字化的特點突出。LIDAR 技術(shù)全程使用數(shù)字形式測繪，可以直接獲取數(shù)字長度信息，很容易實現(xiàn)智能化的描繪[1]。

4 LIDAR 技術(shù)在公路勘測中的具體應(yīng)用

4.1 數(shù)字正射影像圖和數(shù)字地貌圖的繪制

在公路勘測中，LIDAR 技術(shù)可以有效獲取點云信息以及其他有用的數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行整理和分析，進(jìn)而完成數(shù)字正射影像圖以及數(shù)字地貌圖的繪制。正常情況下，數(shù)字地貌圖的比例為1:1000，而數(shù)字正射影像圖的精確度也會控制在20cm 以內(nèi)，完全符合公路勘測工作正常開展的各項要求。而數(shù)字正射影像圖可以進(jìn)行走廊部分直觀圖像的描繪，然后再根據(jù)遙感測繪資料以及其他地理資料，對不同類型的公路進(jìn)行勘察，不僅可以有效提升公路勘測路線的選擇效率，還提升了公路勘測的質(zhì)量。目前數(shù)字正射影像圖和數(shù)字地貌圖的繪制主要依靠攝影測量技術(shù)人員實施。

4.2 數(shù)字地面模型的繪制

在公路勘測中，數(shù)字地面模型可以為相關(guān)工作人員提供必要的縱斷面以及橫斷面的信息資料、地理資料。而要想進(jìn)行數(shù)字地面模型的成功繪制，必須要具備以下三大數(shù)據(jù)信息：第一攝影測量信息，第二數(shù)字式地貌圖信息，第三野外測量的實際數(shù)據(jù)。但是數(shù)字式地貌圖受到地貌原圖精確度的影響較大，且掃描工作也存在著一定的誤差，所以其精度以及速度無法適應(yīng)現(xiàn)代公路勘測的發(fā)展需求，工作質(zhì)量也得不到保證。而野外測量又是一種滿足較高精度要求的勘測方法，但是受到測量速度的限制，在山地、重丘等地貌，則很難發(fā)揮出其優(yōu)勢。無論是供給帶狀地貌圖，還是數(shù)字地面模型，攝影測量都是目前公路勘測工作的關(guān)鍵點，可以滿足目前公路勘測中精度以及速度的要求。但是這種測量方法最大的缺陷就是受到天氣的影響較大。例如，在一些天氣比較惡劣、植被分布比較密集或者地形出現(xiàn)破碎的區(qū)域，將無法體現(xiàn)出其工作效率以及工作質(zhì)量方面的優(yōu)勢。但是LIDAR 技術(shù)卻可以有效解決攝影測量技術(shù)中的缺陷。

4.3 在高速公路線路勘測中的應(yīng)用

LIDAR 技術(shù)在高速公路線路勘測中的應(yīng)用主要包含以下三方面：第一，原始數(shù)據(jù)的采集與獲取，即在機(jī)載LIDAR 飛行拍攝之前，要先制定飛行技術(shù)，并完成激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、GPS 定位系統(tǒng)等的安置；第二，對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的處理與整理，即將機(jī)載LIDAR 野外采集所得數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理和整理；第三對線路的優(yōu)化設(shè)計，即借助正射影像圖和激光點云數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，通過二維與三維的結(jié)合實現(xiàn)高速公路線路路徑的優(yōu)化[2]。

5 結(jié)語

綜上所述，LIDAR 技術(shù)是一種較為新型的機(jī)載激光掃描技術(shù)，在公路勘測中的應(yīng)用還有很多需要改善的地方。其造價成本雖然較高，但是應(yīng)用優(yōu)勢十分突出，所以LIDAR 技術(shù)在未來的應(yīng)用前景將十分廣闊。