機載激光雷達掃描技術(shù)在高速公路改擴建中的應(yīng)用

李洋洋

摘 要：高速公路的快速發(fā)展大大提高了我國交通運輸水平，有效促進了宏觀經(jīng)濟發(fā)展和社會進步。但是，隨著交通量的快速增長，越來越多的高速公路服務(wù)水平和容量無法滿足日益增長的交通需求。因此，加快早期建設(shè)的高速公路擴建和國家級別、省級公路主干道改造，成為當(dāng)前公路交通建設(shè)的重要任務(wù)之一。目前我國高速公路改擴建測繪調(diào)查主要采用RTK和全站儀，不僅測量效率低，干擾正常的交通秩序，而且對調(diào)查人員的人身安全存在巨大的隱患，難以適應(yīng)當(dāng)前大批急需重建和擴建高速公路和城市路網(wǎng)的需求。采用先進高效的機載激光雷達掃描技術(shù)，可以快速獲取現(xiàn)有高速公路的地面三維數(shù)據(jù)信息，為高速公路改擴建工程提供全面準(zhǔn)確的基礎(chǔ)資料，實現(xiàn)激光雷達掃描技術(shù)和高速公路改擴建工程CAD協(xié)同設(shè)計。

關(guān)鍵詞：激光 雷達 公路 改擴建 測繪

中圖分類號：P250 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）04（a）-0035-02

1 概述

高速公路改擴建等測繪項目中，傳統(tǒng)作業(yè)方式大多依賴RTK或全站儀人工打點。使用RTK易受到衛(wèi)星信號影響，在高樓、樹木遮蔽處難以固定；全站儀測量需要進行搬站、定向等工作，作業(yè)效率更加低下。傳統(tǒng)手段為離散點式測量，無法反映既有公路路面、邊坡、構(gòu)筑物及沿線地形地物的具體情況，甚至還會存在一定的安全隱患，尤其在大面積、大區(qū)域的測量場景下，傳統(tǒng)方式很難滿足項目工期要求和作業(yè)要求。針對高速公路改擴建工程三維地表數(shù)據(jù)的高精度獲取和處理環(huán)節(jié)，機載激光雷達掃描測繪技術(shù)改變傳統(tǒng)地形圖生產(chǎn)的制作流程和方法，可實現(xiàn)大比例尺地形圖和地面三維模型的快速生成。

機載激光雷達是一種以無人機為載體的激光探測和測距系統(tǒng)，以激光器作為發(fā)射光源，采用光電探測技術(shù)手段進行主動遙感探測，具有分辨率高、抗干擾能力強、輕便高效等特點，用途較廣泛，多應(yīng)用在地形圖繪制，地形測，三維建模，無人駕駛等領(lǐng)域。

2 原理

激光雷達是激光技術(shù)與光電探測技術(shù)相結(jié)合的先進探測方式，由信號發(fā)射系統(tǒng)、信號接收系統(tǒng)、信息處理等部分組成，通過信號發(fā)射和信號接收的時間差來計算光源到物體的距離。信號發(fā)射器到反射物的距離（d）=光速（v）×?xí)r間（t）/2，激光束的發(fā)射頻率可達到每秒幾萬個脈沖，接收器在1min內(nèi)可錄制60萬個點，通過GPS和INS獲得激光點位置坐標(biāo)信息和方向信息，便能夠精確計算出每個激光點的大地坐標(biāo)X，Y和Z，并將大量激光點集成到激光點云中形成點云圖像。

在實際的作業(yè)中，點云數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量巨大，因此機載激光雷達掃描技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵是快速處理海量點云數(shù)據(jù)。隨著該技術(shù)的廣泛應(yīng)用，開發(fā)出了高效的計算機輔助軟件，用于對機載雷達數(shù)據(jù)進行濾波和分類，消除點云中的孤立噪點，而軟件無法濾掉的部分粗差和激光點還需要人工進行交互編輯。

3 應(yīng)用

公路改擴建的重要前提是準(zhǔn)確獲取現(xiàn)有道路及其附屬結(jié)構(gòu)的三維數(shù)據(jù)信息。實際情況表明，僅依靠竣工圖資料難以滿足重建和擴建的要求。為了最大限度地利用現(xiàn)有的道路路基、路面、橋梁和其他結(jié)構(gòu)進行拼寬擴建，現(xiàn)有的公路改造和擴建項目對測量精度的要求遠高于新的道路工程。采用先進高效的機載激光雷達掃描技術(shù)測量既有道路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以無人機作為激光掃描作業(yè)平臺，在低空勻速緩慢飛行，掃描現(xiàn)有道路兩側(cè)300m范圍，可實現(xiàn)不中斷交通的情況下精確獲取現(xiàn)有高速公路的地面三維數(shù)據(jù)。該技術(shù)的研究可取得了如下的成果：

（1）以直升機為飛行平臺，實現(xiàn)既有道路的高精度激光點云數(shù)據(jù)并夠生成精確的數(shù)字高程模型（DEM）；（2）沿路線每側(cè)1km布設(shè)一個路面控制點，進一步精化路面激光點的高程精度，達到優(yōu)于5cm的精度；（3）充分利用激光點的強度信息，實現(xiàn)車道線的精確擬合，進而快速提取出車道線激光點；（4）利用直升機進行低空攝影，獲取精確密集的三維激光點云，并利用路面控制點對路面激光點云進行精化，可生成精密的數(shù)字表面模型（DSM）。（5）在直升機上裝載有3900萬高分辨率航空數(shù)碼相機，獲取改擴建路線方案范圍內(nèi)的高清晰度彩色數(shù)字影像（DOM）；（6）快速生成大比例尺地形圖資料；

通過人工上路測量點的統(tǒng)計比較，機載激光雷達掃描數(shù)據(jù)精度平面誤差小于0.05m，高程誤差小于0.02m，充分體現(xiàn)了該技術(shù)測量數(shù)據(jù)密度高、完整性好的優(yōu)勢，滿足高速公路改擴建設(shè)計過程中對既有道路特征信息的精度要求，輔助公路改擴建工程方案設(shè)計與優(yōu)化，大量減少人工外業(yè)測量。

4 結(jié)語

在高速公路改擴建項目中，通過機載激光三維掃描先進技術(shù)，提取路面上車道標(biāo)線中心三維數(shù)據(jù)，以中央分隔帶處2條標(biāo)線和高清影像為主要依據(jù)，對老路中線進行擬合，最大限度地擬合出老路的實際線位和路面縱坡豎曲線，該技術(shù)的應(yīng)用找到了既有公路形態(tài)要素擬合、恢復(fù)的方法。

利用數(shù)字高程模型DSM、高清影像DOM，結(jié)合道路設(shè)計軟件，可快速生成制作可視化三維場景模型，實現(xiàn)了道路設(shè)計方案快捷展示，設(shè)計方案快速比選和優(yōu)化，有利于對設(shè)計方案總體把握，解決了激光測量成果與高速公路改擴建的CAD交互的關(guān)鍵技術(shù)，為三維道路智能化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻

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