LiDAR在道路勘測中的應(yīng)用

發(fā)布日期：2019-08-29 00:00 瀏覽量：15862

LIDAR全名LightDetectionAndRanging，是一種激光掃描測量技術(shù)，它利用GPS和IMU(慣性測量裝置)定位定姿的機載。它利用激光掃描儀對地面進行連續(xù)掃描，直接獲取三維激光點云，利用分類技術(shù)將建筑物移除、覆蓋植物等測點，保留地表測點，即可獲得數(shù)字高程模型(DEM)。配合搭載數(shù)碼相機所拍攝的高分辨率數(shù)碼影像，進而生產(chǎn)數(shù)字線劃圖(DLG)。

一、相較于傳統(tǒng)的航空攝影測量技術(shù)

機載激光雷達技術(shù)屬于半主動式直接測量技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的航空攝影測量技術(shù)，可大幅減少測量工序及人工觀測制圖的工作量，并且機載激光雷達是一種成本低、效率高的空間數(shù)據(jù)獲取方法。其絕對精度可在0.1～0.5m之間。它的優(yōu)勢在于對大范圍、沿岸島礁海區(qū)、不可進入地區(qū)(如沙漠地區(qū)、沼澤等)、植被下層，以及地面與非地面數(shù)據(jù)的快速獲取。而這正是用其他方法所不能得到的，或是在高昂成本下才能獲得的。因此，LIDAR技術(shù)為困難地區(qū)提供了一種方便、快速、節(jié)省的空間數(shù)據(jù)獲取方法，是近年來應(yīng)用越來越廣泛的測量技術(shù)的一種。

二、機載激光雷達技術(shù)具有其獨特的優(yōu)勢

1．全天候數(shù)據(jù)獲取，不受太陽高度角、能見度等外界因素影響，可全天候作業(yè)。傳統(tǒng)航空攝影測量由于采用被動遙感，無法在特定時段作業(yè)。而作為新型主動遙感設(shè)備，LIDAR數(shù)據(jù)獲取采用自身能源發(fā)射脈沖，不受這些因素影響。

2．地面控制簡便，傳統(tǒng)航空攝影測量需配合大量選、刺點工作完成空三加密，且常受到地物辨識度低、天氣、測量精度等因素的影響，地面控制繁瑣。而LIDAR航拍，地面控制點要求少。

3．直接獲取DEM與DSM，傳統(tǒng)攝影測量方法獲取測區(qū)地形數(shù)據(jù)，主要是基于立體像對提取，對于不同天氣、不同時相條件下的立體像對，地形數(shù)據(jù)的質(zhì)量、效率和可靠性得不到有效保障。由于激光脈沖回波的多值性，機載激光雷達技術(shù)可同時量測地面和非地面信息。通過濾波與分類處理，可直接獲取測區(qū)數(shù)字高程模型(DEM)與數(shù)字表面模型(DSM)。

4．數(shù)據(jù)處理快速、精度質(zhì)量高LIDAR數(shù)據(jù)獲取后，采用配套數(shù)據(jù)處理軟件便可獲得生產(chǎn)成果。同時，由于點云密度遠大于傳統(tǒng)地面測量，數(shù)據(jù)精度遠高于傳統(tǒng)測量方法。

5．斷面數(shù)據(jù)采集的高效率及準確性LIDAR傳感器發(fā)射的激光脈沖能部分地穿透樹林遮擋，直接獲取高精度三維地表地形數(shù)據(jù)。LIDAR數(shù)據(jù)經(jīng)過相關(guān)軟件數(shù)據(jù)處理后，可以生成高精度的數(shù)字地面模型、等高線圖，具有傳統(tǒng)攝影測量和地面常規(guī)測量技術(shù)無法取代的優(yōu)越性。

三、機載LiDAR數(shù)據(jù)獲取

1、航線規(guī)劃是在數(shù)據(jù)獲取前非常重要的工作，它的目的在于確定LiDAR系統(tǒng)載體的飛行線路，為數(shù)據(jù)采集過程實現(xiàn)導航，保證全面、正確地獲取符合要求的激光數(shù)據(jù)。在具體的規(guī)劃中還需要知道選用的橢球標準和投影方式，這對于大片或者帶狀區(qū)域意義重大。

飛行高度、激光發(fā)射頻率和掃描角共同決定了激光點云的密度，決定成果的分辨率，不同的飛行高度對激光發(fā)射頻率上限有不同的要求，所以在飛行進行之前需要綜合考慮。同時為了得到均勻分布點云，對飛行器的飛行速度也會有相應(yīng)的要求，飛行器一般有最低速度限制，需要激光器設(shè)置調(diào)整。對于集成了各類相機的系統(tǒng)，還需控制航帶和曝光點來滿足重疊率的要求。

2、地面GPS基站布設(shè)對于帶狀的測區(qū)，需要沿道路方向每隔一段距離布設(shè)一個GPS基站，根據(jù)GPS差分原理以及項目實際基線長度應(yīng)該控制在適合的范圍，一般在20km以內(nèi)，這樣才能達到GPS差分效果的最優(yōu)化。在機載LiDAR系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)之前，設(shè)定好一致采樣頻率。并且開機工作，保證系統(tǒng)GPS工作時間有地面基站與其差分。

3、確保獲取數(shù)據(jù)的質(zhì)量。為了得到全面、精確、符合要求的點云數(shù)據(jù)，應(yīng)該在數(shù)據(jù)采集前做好充分的準備，采集過程中密切關(guān)注數(shù)據(jù)采集和存儲情況。對于儀器懸掛在飛行器外面的情況，要做好防風防雨措施，導航和存儲單元應(yīng)保證其散熱良好，飛行器飛行中會連帶激光器產(chǎn)生高頻震動，系統(tǒng)的搭載器件在牢固的前提下應(yīng)做好減震防護。

四、LiDAR在道路勘測中的應(yīng)用

1.制作DTM和DSM數(shù)字地面模型(DTM)是利用一個坐標系中的大量已知坐標，得到的連續(xù)的帶有地理特征地面模型，還包括坡度坡向特性。

具體實現(xiàn)主要以TIN三角網(wǎng)或者規(guī)則格網(wǎng)為基礎(chǔ)來建立數(shù)字地面模型，數(shù)字地表模型(DSM)是對地球表面各類地物和綜合描述。二者的區(qū)別在于前者是去除掉植被，建筑物等物體后，反映地球表面最根本的構(gòu)造模型，而DSM則包括植被和各種建筑。DTM對于道路勘測的作用十分重要，通過它能夠迅速得到關(guān)鍵區(qū)域的橫斷面;激光具有穿透特性，根據(jù)激光波的強度和回波信息可以實現(xiàn)地面和植被的分離，LiDAR建立的地面模型相比航拍具有更好的精度水平，尤其是高程方面，并且與GPSRTK方法相比，能節(jié)省大量的資源和時間，根據(jù)其精確的高程數(shù)據(jù)，有利于勘測過程中土方量的計算。根據(jù)DTM還能生成等高線圖和各類地形圖，可以滿足勘測設(shè)計需要。

2.與其他數(shù)據(jù)相互融合，機載LiDAR系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)缺少相應(yīng)的紋理和光譜信息，為了使獲取的信息更加全面，可以利用高分辨率數(shù)碼相機甚至高光譜相機同步獲取地面的真彩影像信息。

LiDAR系統(tǒng)自帶了高精度POS系統(tǒng)(GPS和IMU)，得到的POS數(shù)據(jù)可以與相機共享，采用POS系統(tǒng)輔助光束法來生成正射影像。激光數(shù)據(jù)具有明顯的三維特征，這兩種數(shù)據(jù)融合能夠?qū)⒏髯缘膬?yōu)勢集合起來，生成的三維模型也更加逼真。可以將正射影像和處理好的點云數(shù)據(jù)通過同一標準的地理坐標實現(xiàn)激光點和相元的一一對應(yīng)，把相元的色彩和光譜信息賦到激光點上。

還可以在LiDAR數(shù)據(jù)輔助下采用多種算法對高分影像進行輪廓提取，然后通過激光點云的高程信息完成目標區(qū)域的三維重建，這種以各類影像為基礎(chǔ)，通過實現(xiàn)建筑物三維重建的融合手段已經(jīng)在電子地圖方面得到了應(yīng)用。

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