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LiDAR在道路勘测中的应用

2019-08-29

LIDAR全名LightDetectionAndRanging，是一种激光扫描测量技术，它利用GPS和IMU(惯性测量装置)定位定姿的机载。它利用激光扫描仪对地面进行连续扫描，直接获取三维激光点云，利用分类技术将建筑物移除、覆盖植物等测点，保留地表测点，即可获得数字高程模型(DEM)。配合搭载数码相机所拍摄的高分辨率数码影像，进而生产数字线划图(DLG)。

一、相较于传统的航空摄影测量技术

机载激光雷达技术属于半主动式直接测量技术，相较于传统的航空摄影测量技术，可大幅减少测量工序及人工观测制图的工作量，并且机载激光雷达是一种成本低、效率高的空间数据获取方法。其绝对精度可在0.1～0.5m之间。它的优势在于对大范围、沿岸岛礁海区、不可进入地区(如沙漠地区、沼泽等)、植被下层，以及地面与非地面数据的快速获取。而这正是用其他方法所不能得到的，或是在高昂成本下才能获得的。因此，LIDAR技术为困难地区提供了一种方便、快速、节省的空间数据获取方法，是近年来应用越来越广泛的测量技术的一种。

二、机载激光雷达技术具有其独特的优势

1．全天候数据获取，不受太阳高度角、能见度等外界因素影响，可全天候作业。传统航空摄影测量由于采用被动遥感，无法在特定时段作业。而作为新型主动遥感设备，LIDAR数据获取采用自身能源发射脉冲，不受这些因素影响。

2．地面控制简便，传统航空摄影测量需配合大量选、刺点工作完成空三加密，且常受到地物辨识度低、天气、测量精度等因素的影响，地面控制繁琐。而LIDAR航拍，地面控制点要求少。

3．直接获取DEM与DSM，传统摄影测量方法获取测区地形数据，主要是基于立体像对提取，对于不同天气、不同时相条件下的立体像对，地形数据的质量、效率和可靠性得不到有效保障。由于激光脉冲回波的多值性，机载激光雷达技术可同时量测地面和非地面信息。通过滤波与分类处理，可直接获取测区数字高程模型(DEM)与数字表面模型(DSM)。

4．数据处理快速、精度质量高LIDAR数据获取后，采用配套数据处理软件便可获得生产成果。同时，由于点云密度远大于传统地面测量，数据精度远高于传统测量方法。

5．断面数据采集的高效率及准确性LIDAR传感器发射的激光脉冲能部分地穿透树林遮挡，直接获取高精度三维地表地形数据。LIDAR数据经过相关软件数据处理后，可以生成高精度的数字地面模型、等高线图，具有传统摄影测量和地面常规测量技术无法取代的优越性。

三、机载LiDAR数据获取

1、航线规划是在数据获取前非常重要的工作，它的目的在于确定LiDAR系统载体的飞行线路，为数据采集过程实现导航，保证全面、正确地获取符合要求的激光数据。在具体的规划中还需要知道选用的椭球标准和投影方式，这对于大片或者带状区域意义重大。

飞行高度、激光发射频率和扫描角共同决定了激光点云的密度，决定成果的分辨率，不同的飞行高度对激光发射频率上限有不同的要求，所以在飞行进行之前需要综合考虑。同时为了得到均匀分布点云，对飞行器的飞行速度也会有相应的要求，飞行器一般有最低速度限制，需要激光器设置调整。对于集成了各类相机的系统，还需控制航带和曝光点来满足重叠率的要求。

2、地面GPS基站布设对于带状的测区，需要沿道路方向每隔一段距离布设一个GPS基站，根据GPS差分原理以及项目实际基线长度应该控制在适合的范围，一般在20km以内，这样才能达到GPS差分效果的最优化。在机载LiDAR系统采集数据之前，设定好一致采样频率。并且开机工作，保证系统GPS工作时间有地面基站与其差分。

3、确保获取数据的质量。为了得到全面、精确、符合要求的点云数据，应该在数据采集前做好充分的准备，采集过程中密切关注数据采集和存储情况。对于仪器悬挂在飞行器外面的情况，要做好防风防雨措施，导航和存储单元应保证其散热良好，飞行器飞行中会连带激光器产生高频震动，系统的搭载器件在牢固的前提下应做好减震防护。

四、LiDAR在道路勘测中的应用

1.制作DTM和DSM数字地面模型(DTM)是利用一个坐标系中的大量已知坐标，得到的连续的带有地理特征地面模型，还包括坡度坡向特性。

具体实现主要以TIN三角网或者规则格网为基础来建立数字地面模型，数字地表模型(DSM)是对地球表面各类地物和综合描述。二者的区别在于前者是去除掉植被，建筑物等物体后，反映地球表面最根本的构造模型，而DSM则包括植被和各种建筑。DTM对于道路勘测的作用十分重要，通过它能够迅速得到关键区域的横断面;激光具有穿透特性，根据激光波的强度和回波信息可以实现地面和植被的分离，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，并且与GPSRTK方法相比，能节省大量的资源和时间，根据其精确的高程数据，有利于勘测过程中土方量的计算。根据DTM还能生成等高线图和各类地形图，可以满足勘测设计需要。

2.与其他数据相互融合，机载LiDAR系统所采集的数据缺少相应的纹理和光谱信息，为了使获取的信息更加全面，可以利用高分辨率数码相机甚至高光谱相机同步获取地面的真彩影像信息。

LiDAR系统自带了高精度POS系统(GPS和IMU)，得到的POS数据可以与相机共享，采用POS系统辅助光束法来生成正射影像。激光数据具有明显的三维特征，这两种数据融合能够将各自的优势集合起来，生成的三维模型也更加逼真。可以将正射影像和处理好的点云数据通过同一标准的地理坐标实现激光点和相元的一一对应，把相元的色彩和光谱信息赋到激光点上。

还可以在LiDAR数据辅助下采用多种算法对高分影像进行轮廓提取，然后通过激光点云的高程信息完成目标区域的三维重建，这种以各类影像为基础，通过实现建筑物三维重建的融合手段已经在电子地图方面得到了应用。

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