机载激光雷达技术在公路勘察设计中的应用研究

机载激光雷达技术在公路勘察设计中的应用研究陈楚江2010-04博士副总工程师教授级高工研究所所长问题精度受植被、阴影等影响问题•受光学成像的影响飞行高度天气、太阳高度角胶片成像、易变形阴影、死角问题主要用于初步设计、方案比选定测、施工图设计还需大量外业测量工作激光探测和量距系统(LIghtDetectionAndRanging)数字正射影像激光测量及机载激光测量（LIDAR）数字地面模型数字线划地形图扫描点云激光-Laser•Light•Amplificationby•Stimulated•Emissionof•Radiation——光的受激辐射放大电磁波谱伽玛射线可见光紫外线红外微波电视/无线电X射线100µm0.1cm0.7波长（示意）0.30.2µm0.01µm0.41.55.6µm10cm1cm0.0001µm1m100µm20µm高亮部分标示重要的被水及大气吸收的波段胶片光电感应热红外被动微波主动雷达典型的地面激光雷达激光特性•单色性、方向性、相干性•具有很高的单光子辐射能量•在大气传输中很少发生绕射——二十世纪人类最重要的发明之一激光测量•脉冲测距•测距分辨率LctR21LtcR21主动测量——接受物体的反射回波地面激光测量桥梁挠度测量地表测量密集空间点组成的点云表达目标物体表面车载激光测量•不干扰交通;•精度可达3cm;•改扩建/道路养护。激光测量常用词•激光成像，LaserImaging,LI•激光雷达，LightDetectionAndRanging,LIDAR•机载激光地形测绘，AirborneLaserTerrainMapping,ALTM•机载激光测量，AirborneLaserMapping,ALM•机载激光扫描，AirborneLaserScanning,ALS•机载激光测高，Airbornelaseraltimetry,ALA•激光测高，LaserAltimetry,LA•机载激光扫描测高，AirborneLaserScanningAltimetry,ALSA•空载光达、空载雷射扫描，LightDetectionAndRanging,LIDARLIDAR发展现状•2007年初，华北电网超高压公司利用机载LIDAR，七天内成功完成308公里的电力巡线项目数据采集，线距精度在5cm以内，解决了传统航拍所不能解决的问题。•2005年9月广西电力设计院利用LIDAR系统对四段线路（累计1700km²），进行全部激光和数码影像数据获取的生产性实验。•2006年江苏测绘局在国内首次运用LIDAR完成11900平方公里1:10000比例尺江苏滩涂和岛礁测绘。LIDAR发展现状•LIDAR引入国内的时间集中在2004～2005年。主要应用于国土资源、电力、交通等领域，成果主要有DEM、DOM、DLG等。LIDAR软硬件系统硬件系统激光源及探测器扫描部件及控制系统机载GPS(位置，速度，方向）IMU(旁向倾角，航向倾角以及旋偏角)CCD相机(遥感影像)高性能计算机与海量数据存储设备软件系统主要有Terrasolid公司的TerraModeler、TerraScan和TerraPhoto等部分工具模块自主研发技术优势不受阴影和太阳高度角影响不受薄雾影响对天气要求相对宽松在传统航测无能为力的阴影区域，LIDAR获取的数据精度完全不受影响。激光探测器技术优势多次回波特性使得同一坐标点上可获取植被、地面、水域等地物的多个高程数据消除植被影响，直接获取树高及树下裸地真实高程技术优势每个数据点都带有真实的三维坐标只需极少量地面控制获取地表数据精度高特别适合条件复杂地区的公路勘察设计使用GPS和IMU进行精确的飞机定位和测绘数字影像机载LIDAR在获取点云数据的同时，也可以利用加载的CCD相机获取高分辨率遥感影像。数字地面模型机载LIDAR系统采集的每个点都带有真实的三维坐标，可以直接生成高精度的数字地表模型（DSM）。数字线划地形图由DEM生成的等高线由DSM生成的等高线最终的线划地形图(DLG)利用高精度的DEM并结合DOM，能更快速、更简便、更少工作量的进行DLG生产断面测量协同设计工作周期长需进行大量地面控制测量及详细测量工作受植被和阴影影响地表高程不真实缩短勘察设计周期约1/3无需或极少量地面控制点，节省人力、财力可以分离出建筑、植被和地形，得到高精度DSM/DEM等高程精度20cm基于航测的公路勘察设计基于机载LIDAR的公路勘察设计技术经济对比野外航摄像片冲洗低处扫描野外控制与调绘立体测图LIDAR测量无需或仅需少量控制点施工图设计定测/断面测量初测/初步设计DEM/DOM/DLG传统摄影测量自主知识产权•国家发明专利1项基于三维机载LIDAR的公路测设方法，专利号：ZL200710168382.9机载激光雷达三维地表数据处理系统（ALISV1.0）登记号：2008SR31668•软件著作权1项荣获2009年中国公路学会科学技术一等奖应用工程1江西赣大高速公路•赣州至大余高速公路（茅店～三益段）地方加密线赣大高速公路的组成部分闽赣粤运输通道的重要路段江西省2020年高速公路网规划“三纵、四横、五环”的其中“一环”路线全长43.673公里地处赣中南中低山与丘陵地貌区，地形起伏较大地表植被茂盛气候多雾、多雨本项目-0.2-0.100.10.2050100150200250300350精度分析与比较内插断面实测断面高程精度：0.138m巩义至登封高速公路，路线全长约43.3km。区内主要地形为黄土丘陵区和中低山剥蚀堆积区，沿线地形起伏较大。登封至汝州高速公路，北起郑少洛高速，止平临高速，路线全长约53km。应用工程2河南巩义-登封-汝州高速公路巩义登封汝州项目特点相对高差500多米山岭地区；黄土沟谷地貌，岭脊高、沟壑多；较多民居窑洞，局部地形垂直高差较大；桥、隧群占比高；全线变化频繁的地形对航带设计、激光数据处理等影响较大。高密度DEM、高分辨率DOM、大比例尺DLGDEMDOMDLG老井沟村K16+700～K17+500高密度DEM、高分辨率DOM、大比例尺DLGDEMDOMDLG路线终点：卢店互通K43+734.3856KS09实测点生成纵断面点5596个，对比检测发现39个外业点误差大。纵断面测量植被激光点地表激光点KS09实测纵断面点错误纵断面精度检测2834341368803134114421182561416050010001500-1.0-1.0～-0.4-0.4～-0.2-0.2～-0.1-0.1～00～0.10.1～0.20.2～0.40.4～0.60.6～1.01.0纵断面误差分布图纵断面精度统计图39%32%27%1%1%0～0.10.1～0.20.2～0.40.4～0.60.6中桩检测高程精度：0.19m纵断面精度检测横断面测量外业实测断面激光雷达断面图例生成横断面1801个，对比检测，发现144个外业断面误差大。实测横断面激光雷达横断面困难地段实测横断面与激光雷达横断面形态差异明显横断面激光点横断面精度检测直接快速生成DEM、DSM、DLG、DOM等产品，达到定测、施工图设计的精度要求困难复杂环境下无需或极少量控制点的数字化高速公路勘察设计。机载LIDAR生成0.2m高精度的数字地面模型，有效克服了气候多变、地形复杂、植被茂盛等难题。机载激光雷达技术与公路CAD数字化设计的密切协同。技术突破结论与展望•实现了激光测量到施工图设计的直通车，代替断面测量，改变了公路勘察设计的作业流程。•减少测设环节，缩短勘察设计周期约1/3，具有显著的社会、经济和生态环境效益。•开辟了一种全新的地表空间数据获取手段，在公路勘察设计领域必将大有作为。谢谢！中交第二公路勘察设计研究院有限公司