LiDAR在道路勘測中的應用

發布日期：2019-08-29 00:00 瀏覽量：15349

LIDAR全名LightDetectionAndRanging，是一種激光掃描測量技術，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掃描，直接獲取三維激光點云，利用分類技術將建筑物移除、覆蓋植物等測點，保留地表測點，即可獲得數字高程模型(DEM)。配合搭載數碼相機所拍攝的高分辨率數碼影像，進而生產數字線劃圖(DLG)。

一、相較于傳統的航空攝影測量技術

機載激光雷達技術屬于半主動式直接測量技術，相較于傳統的航空攝影測量技術，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、效率高的空間數據獲取方法。其絕對精度可在0.1～0.5m之間。它的優勢在于對大范圍、沿岸島礁海區、不可進入地區(如沙漠地區、沼澤等)、植被下層，以及地面與非地面數據的快速獲取。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技術為困難地區提供了一種方便、快速、節省的空間數據獲取方法，是近年來應用越來越廣泛的測量技術的一種。

二、機載激光雷達技術具有其獨特的優勢

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

2．地面控制簡便，傳統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，傳統攝影測量方法獲取測區地形數據，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，地形數據的質量、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，可直接獲取測區數字高程模型(DEM)與數字表面模型(DSM)。

4．數據處理快速、精度質量高LIDAR數據獲取后，采用配套數據處理軟件便可獲得生產成果。同時，由于點云密度遠大于傳統地面測量，數據精度遠高于傳統測量方法。

5．斷面數據采集的高效率及準確性LIDAR傳感器發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據。LIDAR數據經過相關軟件數據處理后，可以生成高精度的數字地面模型、等高線圖，具有傳統攝影測量和地面常規測量技術無法取代的優越性。

三、機載LiDAR數據獲取

1、航線規劃是在數據獲取前非常重要的工作，它的目的在于確定LiDAR系統載體的飛行線路，為數據采集過程實現導航，保證全面、正確地獲取符合要求的激光數據。在具體的規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域意義重大。

飛行高度、激光發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的要求，飛行器一般有最低速度限制，需要激光器設置調整。對于集成了各類相機的系統，還需控制航帶和曝光點來滿足重疊率的要求。

2、地面GPS基站布設對于帶狀的測區，需要沿道路方向每隔一段距離布設一個GPS基站，根據GPS差分原理以及項目實際基線長度應該控制在適合的范圍，一般在20km以內，這樣才能達到GPS差分效果的最優化。在機載LiDAR系統采集數據之前，設定好一致采樣頻率。并且開機工作，保證系統GPS工作時間有地面基站與其差分。

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

四、LiDAR在道路勘測中的應用

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

具體實現主要以TIN三角網或者規則格網為基礎來建立數字地面模型，數字地表模型(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鍵區域的橫斷面;激光具有穿透特性，根據激光波的強度和回波信息可以實現地面和植被的分離，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，能節省大量的資源和時間，根據其精確的高程數據，有利于勘測過程中土方量的計算。根據DTM還能生成等高線圖和各類地形圖，可以滿足勘測設計需要。

2.與其他數據相互融合，機載LiDAR系統所采集的數據缺少相應的紋理和光譜信息，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系統自帶了高精度POS系統(GPS和IMU)，得到的POS數據可以與相機共享，采用POS系統輔助光束法來生成正射影像。激光數據具有明顯的三維特征，這兩種數據融合能夠將各自的優勢集合起來，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據通過同一標準的地理坐標實現激光點和相元的一一對應，把相元的色彩和光譜信息賦到激光點上。

還可以在LiDAR數據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域的三維重建，這種以各類影像為基礎，通過實現建筑物三維重建的融合手段已經在電子地圖方面得到了應用。

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