機載激光雷達掃描技術在高速公路改擴建中的應用
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摘 要：高速公路的快速發展大大提高了我國交通運輸水平，有效促進了宏觀經濟發展和社會進步。但是，隨著交通量的快速增長，越來越多的高速公路服務水平和容量無法滿足日益增長的交通需求。因此，加快早期建設的高速公路擴建和國家級別、省級公路主干道改造，成為當前公路交通建設的重要任務之一。目前我國高速公路改擴建測繪調查主要采用RTK和全站儀，不僅測量效率低，干擾正常的交通秩序，而且對調查人員的人身安全存在巨大的隱患，難以適應當前大批急需重建和擴建高速公路和城市路網的需求。采用先進高效的機載激光雷達掃描技術，可以快速獲取現有高速公路的地面三維數據信息，為高速公路改擴建工程提供全面準確的基礎資料，實現激光雷達掃描技術和高速公路改擴建工程CAD協同設計。
關鍵詞：激光 雷達 公路 改擴建 測繪
中圖分類號：P250 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）04（a）-0035-02
1 概述
高速公路改擴建等測繪項目中，傳統作業方式大多依賴RTK或全站儀人工打點。使用RTK易受到衛星信號影響，在高樓、樹木遮蔽處難以固定；全站儀測量需要進行搬站、定向等工作，作業效率更加低下。傳統手段為離散點式測量，無法反映既有公路路面、邊坡、構筑物及沿線地形地物的具體情況，甚至還會存在一定的安全隱患，尤其在大面積、大區域的測量場景下，傳統方式很難滿足項目工期要求和作業要求。針對高速公路改擴建工程三維地表數據的高精度獲取和處理環節，機載激光雷達掃描測繪技術改變傳統地形圖生產的制作流程和方法，可實現大比例尺地形圖和地面三維模型的快速生成。
機載激光雷達是一種以無人機為載體的激光探測和測距系統，以激光器作為發射光源，采用光電探測技術手段進行主動遙感探測，具有分辨率高、抗干擾能力強、輕便高效等特點，用途較廣泛，多應用在地形圖繪制，地形測，三維建模，無人駕駛等領域。
2 原理
激光雷達是激光技術與光電探測技術相結合的先進探測方式，由信號發射系統、信號接收系統、信息處理等部分組成，通過信號發射和信號接收的時間差來計算光源到物體的距離。信號發射器到反射物的距離（d）=光速（v）×時間（t）/2，激光束的發射頻率可達到每秒幾萬個脈沖，接收器在1min內可錄制60萬個點，通過GPS和INS獲得激光點位置坐標信息和方向信息，便能夠精確計算出每個激光點的大地坐標X，Y和Z，并將大量激光點集成到激光點云中形成點云圖像。
在實際的作業中，點云數據的數據量巨大，因此機載激光雷達掃描技術應用的關鍵是快速處理海量點云數據。隨著該技術的廣泛應用，開發出了高效的計算機輔助軟件，用于對機載雷達數據進行濾波和分類，消除點云中的孤立噪點，而軟件無法濾掉的部分粗差和激光點還需要人工進行交互編輯。
3 應用
公路改擴建的重要前提是準確獲取現有道路及其附屬結構的三維數據信息。實際情況表明，僅依靠竣工圖資料難以滿足重建和擴建的要求。為了最大限度地利用現有的道路路基、路面、橋梁和其他結構進行拼寬擴建，現有的公路改造和擴建項目對測量精度的要求遠高于新的道路工程。采用先進高效的機載激光雷達掃描技術測量既有道路基礎數據，以無人機作為激光掃描作業平臺，在低空勻速緩慢飛行，掃描現有道路兩側300m范圍，可實現不中斷交通的情況下精確獲取現有高速公路的地面三維數據。該技術的研究可取得了如下的成果：
?。?）以直升機為飛行平臺，實現既有道路的高精度激光點云數據并夠生成精確的數字高程模型（DEM）；（2）沿路線每側1km布設一個路面控制點，進一步精化路面激光點的高程精度，達到優于5cm的精度；（3）充分利用激光點的強度信息，實現車道線的精確擬合，進而快速提取出車道線激光點；（4）利用直升機進行低空攝影，獲取精確密集的三維激光點云，并利用路面控制點對路面激光點云進行精化，可生成精密的數字表面模型（DSM）。（5）在直升機上裝載有3900萬高分辨率航空數碼相機，獲取改擴建路線方案范圍內的高清晰度彩色數字影像（DOM）；（6）快速生成大比例尺地形圖資料；
通過人工上路測量點的統計比較，機載激光雷達掃描數據精度平面誤差小于0.05m，高程誤差小于0.02m，充分體現了該技術測量數據密度高、完整性好的優勢，滿足高速公路改擴建設計過程中對既有道路特征信息的精度要求，輔助公路改擴建工程方案設計與優化，大量減少人工外業測量。
4 結語
在高速公路改擴建項目中，通過機載激光三維掃描先進技術，提取路面上車道標線中心三維數據，以中央分隔帶處2條標線和高清影像為主要依據，對老路中線進行擬合，最大限度地擬合出老路的實際線位和路面縱坡豎曲線，該技術的應用找到了既有公路形態要素擬合、恢復的方法。
利用數字高程模型DSM、高清影像DOM，結合道路設計軟件，可快速生成制作可視化三維場景模型，實現了道路設計方案快捷展示，設計方案快速比選和優化，有利于對設計方案總體把握，解決了激光測量成果與高速公路改擴建的CAD交互的關鍵技術，為三維道路智能化設計奠定了基礎。
參考文獻
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