機(jī)載激光雷達(dá)掃描技術(shù)在高速公路改擴(kuò)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(yùn)輸水平，有效促進(jìn)了宏觀經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步。但是，隨著交通量的快速增長(zhǎng)，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(zhǎng)的交通需求。因此，加快早期建設(shè)的高速公路擴(kuò)建和國家級(jí)別、省級(jí)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(kuò)建測(cè)繪調(diào)查主要采用RTK和全站儀，不僅測(cè)量效率低，干擾正常的交通秩序，而且對(duì)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(kuò)建高速公路和城市路網(wǎng)的需求。采用先進(jìn)高效的機(jī)載激光雷達(dá)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(kuò)建工程提供全面準(zhǔn)確的基礎(chǔ)資料，實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)掃描技術(shù)和高速公路改擴(kuò)建工程CAD協(xié)同設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：激光 雷達(dá) 公路 改擴(kuò)建 測(cè)繪

中圖分類號(hào)：P250 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2019）04（a）-0035-02

1 概述

高速公路改擴(kuò)建等測(cè)繪項(xiàng)目中，傳統(tǒng)作業(yè)方式大多依賴RTK或全站儀人工打點(diǎn)。使用RTK易受到衛(wèi)星信號(hào)影響，在高樓、樹木遮蔽處難以固定；全站儀測(cè)量需要進(jìn)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(diǎn)式測(cè)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(huì)存在一定的安全隱患，尤其在大面積、大區(qū)域的測(cè)量場(chǎng)景下，傳統(tǒng)方式很難滿足項(xiàng)目工期要求和作業(yè)要求。針對(duì)高速公路改擴(kuò)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(jī)載激光雷達(dá)掃描測(cè)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(shí)現(xiàn)大比例尺地形圖和地面三維模型的快速生成。

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

2 原理

激光雷達(dá)是激光技術(shù)與光電探測(cè)技術(shù)相結(jié)合的先進(jìn)探測(cè)方式，由信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)、信號(hào)接收系統(tǒng)、信息處理等部分組成，通過信號(hào)發(fā)射和信號(hào)接收的時(shí)間差來計(jì)算光源到物體的距離。信號(hào)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(dá)到每秒幾萬個(gè)脈沖，接收器在1min內(nèi)可錄制60萬個(gè)點(diǎn)，通過GPS和INS獲得激光點(diǎn)位置坐標(biāo)信息和方向信息，便能夠精確計(jì)算出每個(gè)激光點(diǎn)的大地坐標(biāo)X，Y和Z，并將大量激光點(diǎn)集成到激光點(diǎn)云中形成點(diǎn)云圖像。

在實(shí)際的作業(yè)中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量巨大，因此機(jī)載激光雷達(dá)掃描技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵是快速處理海量點(diǎn)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(jì)算機(jī)輔助軟件，用于對(duì)機(jī)載雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和分類，消除點(diǎn)云中的孤立噪點(diǎn)，而軟件無法濾掉的部分粗差和激光點(diǎn)還需要人工進(jìn)行交互編輯。

3 應(yīng)用

公路改擴(kuò)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(shí)際情況表明，僅依靠竣工圖資料難以滿足重建和擴(kuò)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(jìn)行拼寬擴(kuò)建，現(xiàn)有的公路改造和擴(kuò)建項(xiàng)目對(duì)測(cè)量精度的要求遠(yuǎn)高于新的道路工程。采用先進(jìn)高效的機(jī)載激光雷達(dá)掃描技術(shù)測(cè)量既有道路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以無人機(jī)作為激光掃描作業(yè)平臺(tái)，在低空勻速緩慢飛行，掃描現(xiàn)有道路兩側(cè)300m范圍，可實(shí)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(jī)為飛行平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)既有道路的高精度激光點(diǎn)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(gè)路面控制點(diǎn)，進(jìn)一步精化路面激光點(diǎn)的高程精度，達(dá)到優(yōu)于5cm的精度；（3）充分利用激光點(diǎn)的強(qiáng)度信息，實(shí)現(xiàn)車道線的精確擬合，進(jìn)而快速提取出車道線激光點(diǎn)；（4）利用直升機(jī)進(jìn)行低空攝影，獲取精確密集的三維激光點(diǎn)云，并利用路面控制點(diǎn)對(duì)路面激光點(diǎn)云進(jìn)行精化，可生成精密的數(shù)字表面模型（DSM）。（5）在直升機(jī)上裝載有3900萬高分辨率航空數(shù)碼相機(jī)，獲取改擴(kuò)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(cè)量點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)比較，機(jī)載激光雷達(dá)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(cè)量數(shù)據(jù)密度高、完整性好的優(yōu)勢(shì)，滿足高速公路改擴(kuò)建設(shè)計(jì)過程中對(duì)既有道路特征信息的精度要求，輔助公路改擴(kuò)建工程方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化，大量減少人工外業(yè)測(cè)量。

4 結(jié)語

在高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目中，通過機(jī)載激光三維掃描先進(jìn)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(duì)老路中線進(jìn)行擬合，最大限度地?cái)M合出老路的實(shí)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?cái)M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(jì)軟件，可快速生成制作可視化三維場(chǎng)景模型，實(shí)現(xiàn)了道路設(shè)計(jì)方案快捷展示，設(shè)計(jì)方案快速比選和優(yōu)化，有利于對(duì)設(shè)計(jì)方案總體把握，解決了激光測(cè)量成果與高速公路改擴(kuò)建的CAD交互的關(guān)鍵技術(shù)，為三維道路智能化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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