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机载激光雷达技术在山区公路勘察设计中的应用

2021.01.03点击:

【摘要】机载激光雷达因其具有主动、快速、非接触式、高精 度等技术优势,越来越广泛地被运用于公路勘测设计。本文在全 面了解机载激光雷达技术原理的基础上,阐述了机载激光雷达技 术在公路勘察设计中的应用要点,并合具体案例进行了详细分 析与探讨。 【关键词】机载激光雷达技术;山区公路;勘察设计 doi:10.12159/j.issn.2095-6630.2020.35.1799

一、机载激光雷达技术原理 机载激光雷达,是激光探测及测距系统,它集成了GPS、 IMU、激光扫描仪。其中主动传感系统 ( 激光扫描仪 ) 利用返回的 脉冲可获取探测目标高分辨率的距离、坡度、粗糙度和反射率等 信息,而被动光电成像技术可获取探测目标的数字成像信息,经 过地面的信息处理而生成逐个地面采样点的三维坐标,最后经过 综合处理而得到沿一定条带的地面区域三维定位与成像果。其 特点为: 1、能够提供密集的点阵数据 ( 点间距可以小于 1 米 ),能够 穿透植被的叶冠; 2、不需要或很少需要进入测量现场,可同时测量地面和非地 面层,数据的绝对精度在 0.30 米以内; 3、24 小时全天候工作; 4、具有迅速获取数据的能力。 二、公路勘察设计中机载激光雷达技术的应用要点 1、数据采集 机载激光雷达技术的数据采集包括以下内容:选择适宜的系 统、选择适宜的飞行平台、现场控制测量、对航线进行合理的设 计。实际操作中,雷达系统与飞行平台通常情况下较易确定,然 而,因测区中的地形较为复杂,且自然环境多种多样,所以需要 对现场的控制测量与航线合理设计提出严格要求。基础控制测量 通常在沿线范围内按照 5km 的间隔距离进行平高控制点的布设。 与此同时,为保证测量精度,还应在公路的两侧按一定间隔距离 进行平面与高程控制点的布设。为在激光点云当中正确识别平面 控制点,其形状需要采用 T 形,并选用与路面标线完全一致的涂 料实施涂绘,其尺寸大小应以激光点云间隔距离为依据,通过计 算确定。对航线设计而言,以公路工程建设对路面及其以外提出 的精度要求为依据,并合选定的雷达系统具有的特点和现场激 光点布设密度,在工程区域内规划航飞,以高空和低空相合的 方式进行数据采集。对于高空数据,重点是对公路两侧范围相对 较大的部分实施影像获取,并形成相应的地形图,基于这种采集 方式,因采集范围很大,所以必须做好航线设计;而对于低空数 据,重点是沿公路中心线进行飞行,采用雷达扫描的方式获取公 路两侧之外 100m 之内点云数据,因采集范围相对较小,所以仅 需沿着公路路线进行飞行,对航线设计基本没有要求。 2、数据处理 采用激光扫描测量的方式能直接获取相关点云数据,这些数 据的精度和密度都很高,但如果未经处理,将无法在实际工程中 使用,因此必须对所获全部数据实施处理。数据处理内容为预处 理、坐标转换和分类处理。数据处理时,在数据完成预处理之后, 其坐标系统大多是大地高系统,然而,公路工程需要的是工程坐 标系,而高程系统是典型的正常高系统,基于此,必须对坐标系 统实施转换。另外,为保证数据精度,还应对数据进行精化处理。 具体操作方法为:借助基础控制点把预处理后的数据转换至工程 坐标系,然后借助路面控制点,修正点云数据的平面与高程,以 获得可满足公路建设要求的点云数据。 3、产品生成 因这项技术的应用除了能获取点云数据,还能保证数据的密 度与精度,此外可以利用数码相机进行数字影像的获取,所以采 用这一技术获取的数据能生成很多数字化产品,如 DEM、DOM、 DLG 与地面线。首先,借助完成分类处理的数据,以地面点为 依据提取末次回波对应的点云数据,同时完成网格化、检查和去 除粗差点与小缝隙检查及填补等其他操作,之后即可生成 DEM; 其次,对IMU 数据和GPS 的解算成果实施联合处理,以获得与 航迹线有关的数据文件,再利用相机对外方位元素进行校正,进 而以DEM 和影像数据为依据进行DOM 的生成;最后,根据以上操作得到的数据,并合外业调绘掌握的资料,生成地面线及 DLG。 4、协同设计 采用三维激光扫描技术能采集获取精度与密度都很高的激光 点云,以往常用的 CAD 软件虽然也能为点云数据提供支持,但数 据处理效率相对较低。基于此,现在最常用的方法是把点云转换 为地面模型,之后再使用 CAD 进行设计。通过该处理,除了会降 低精度,还会对该密度点云优越性特点的正常发挥造成影响。对 此,可利用激光雷达数据和 CAD 开展协同设计,在协同设计过程 中,可利用点云数据进行三维地形数据准确和快速的生成,以此 对所有平面线形进行对比,实现路面平面和空间的优化,选定最 佳方案。CAD 模块的应用能使设计实现可视化绘图,提高几何计 算效率,另外,使数据格式达到统一,并提供数据交换接口,能 使点云数据和 CAD 之间充分合,在此基础上,利用其他数字化 产品,即可充分发挥激光雷达数据具有的优势特点,实时且准确 地生成山区公路设计过程中需要的数据,进而为相关设计人员提 供更好的服务。 三、案例分析 某公路位于地形复杂的山区地段,为双向四车道。路线总体 走向由东向西,项目里程长 11.468 km。整个测区范围多为山区 合丘陵地带,西北部多山,东南部略平坦,有一条省道过境;测 区呈带状地形,测区面积 6.54 km2。考虑到测区地形复杂,为保 证工期和公路设计的质量,项目选用Bell 206 直升机搭载Riegl Q560-II 激光扫描仪系统, 在工程区域沿线对道路全线分别进行 770、260 m 航高的高、低空数据采集。在高空数据采集中 , 主要 进行大范围 DOM 和大比例尺 DLG 生成 ; 在低空数据采集中 , 主 要获取道路中心线两侧各 100m 范围内的高精度、高密度激光点 云数据, 可直接生成精密DEM。为了对精化处理后的激光点云 数据精度进行定量分析 , 该项目利用实地测量的 291 个平面检查 点以及 431 个高程检查点对激光点云数据的平面精度和高程精度 分别进行了检查,所得果为平面精度:最大和最小值分别为 0.108m、0.000m,平均值为 0.037m,中误差为 0.045m;高程精度: 最大和最小值分别为 0.041m、-0.047m,平均值为 -0.004m,中误 差为 0.018m。由此可见,激光雷达测量的成果优于道路改扩建定 测与施工图设计的精度要求。通过激光点云数据断面图 , 可以发 现激光点云不仅能穿透茂密植被达到地面 , 而且可非常细致地反 映出地面上的微地貌形态特征。项目直接利用高密度、高精度的 激光点云数据 , 按中桩距离法完成全线横断面三维地面线的生成 工作 , 在 3d 时间内及时根据设计的需要 , 自动生成 23550 个两侧 各宽 50 m 的横断面地面线数据。通过该方法不仅大大地减少了野 外测量的工作量和工作强度 , 而且针对工程方案的变更对比可及 时提供横断面数据 , 并可确保工程数量精确。 在项目设计过程中 , 根据激光雷达扫描测量的数据成果 , 通过 建立数据交换接口的方式与 CAD 环境进行集成。利用 CAD 设计 软件 , 在纵、横断面和平面线位等交互设计中 , 直接对激光雷达测 量的数据成果进行动态交互 , 实现纵断面的无序动态拉坡 , 并进行 横断面的智能化自动设计 , 以及在可视化环境下对横断面的边坡 类型和横断面任意部分进行修改和实时显示。同时 , 利用高精度 的高分彩色数字正射影像作为底图 , 合平面线位设计数据 , 可直 接对公路改扩建设计方案的成果进行直观形象的展示 , 从而进一 步服务于道路改扩建工程的方案比选与优化设计。 四、束语: 综上所述,机载激光雷达是近十几年来快速发展的新型测量 技术,它高度集成了激光测距仪、全球卫星导航系统与惯性测量 单元,相比传统摄影测量技术,它具有较强的植被穿透性、更短 的作业周期以及更低的生产成本; 它作为一种主动式测量技术, 不受日照和天气条件的影响,能够实现全天候全天时对地观测。 基于这些特点,它在灾害监测、资源勘察、森林调查、地形测绘 及城市建模等方面的应用具有独特优势。为此,将其用于山区公 路勘察设计具有良好的应用效果。

参考文献:


[1] 刘旭伟,张硕 . 高原山区高速公路勘察设计理念与路线方 案选择方法分析 [J]. 黑龙江交通科技,2019(5):26-27.

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