机载激光雷达扫描技术在高速公路改扩建中的应用
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摘 要：高速公路的快速发展大大提高了我国交通运输水平，有效促进了宏观经济发展和社会进步。但是，随着交通量的快速增长，越来越多的高速公路服务水平和容量无法满足日益增长的交通需求。因此，加快早期建设的高速公路扩建和国家级别、省级公路主干道改造，成为当前公路交通建设的重要任务之一。目前我国高速公路改扩建测绘调查主要采用RTK和全站仪，不仅测量效率低，干扰正常的交通秩序，而且对调查人员的人身安全存在巨大的隐患，难以适应当前大批急需重建和扩建高速公路和城市路网的需求。采用先进高效的机载激光雷达扫描技术，可以快速获取现有高速公路的地面三维数据信息，为高速公路改扩建工程提供全面准确的基础资料，实现激光雷达扫描技术和高速公路改扩建工程CAD协同设计。
关键词：激光 雷达 公路 改扩建 测绘
中图分类号：P250 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）04（a）-0035-02
1 概述
高速公路改扩建等测绘项目中，传统作业方式大多依赖RTK或全站仪人工打点。使用RTK易受到卫星信号影响，在高楼、树木遮蔽处难以固定；全站仪测量需要进行搬站、定向等工作，作业效率更加低下。传统手段为离散点式测量，无法反映既有公路路面、边坡、构筑物及沿线地形地物的具体情况，甚至还会存在一定的安全隐患，尤其在大面积、大区域的测量场景下，传统方式很难满足项目工期要求和作业要求。针对高速公路改扩建工程三维地表数据的高精度获取和处理环节，机载激光雷达扫描测绘技术改变传统地形图生产的制作流程和方法，可实现大比例尺地形图和地面三维模型的快速生成。
机载激光雷达是一种以无人机为载体的激光探测和测距系统，以激光器作为发射光源，采用光电探测技术手段进行主动遥感探测，具有分辨率高、抗干扰能力强、轻便高效等特点，用途较广泛，多应用在地形图绘制，地形测，三维建模，无人驾驶等领域。
2 原理
激光雷达是激光技术与光电探测技术相结合的先进探测方式，由信号发射系统、信号接收系统、信息处理等部分组成，通过信号发射和信号接收的时间差来计算光源到物体的距离。信号发射器到反射物的距离（d）=光速（v）×时间（t）/2，激光束的发射频率可达到每秒几万个脉冲，接收器在1min内可录制60万个点，通过GPS和INS获得激光点位置坐标信息和方向信息，便能够精确计算出每个激光点的大地坐标X，Y和Z，并将大量激光点集成到激光点云中形成点云图像。
在实际的作业中，点云数据的数据量巨大，因此机载激光雷达扫描技术应用的关键是快速处理海量点云数据。随着该技术的广泛应用，开发出了高效的计算机辅助软件，用于对机载雷达数据进行滤波和分类，消除点云中的孤立噪点，而软件无法滤掉的部分粗差和激光点还需要人工进行交互编辑。
3 应用
公路改扩建的重要前提是准确获取现有道路及其附属结构的三维数据信息。实际情况表明，仅依靠竣工图资料难以满足重建和扩建的要求。为了最大限度地利用现有的道路路基、路面、桥梁和其他结构进行拼宽扩建，现有的公路改造和扩建项目对测量精度的要求远高于新的道路工程。采用先进高效的机载激光雷达扫描技术测量既有道路基础数据，以无人机作为激光扫描作业平台，在低空匀速缓慢飞行，扫描现有道路两侧300m范围，可实现不中断交通的情况下精确获取现有高速公路的地面三维数据。该技术的研究可取得了如下的成果：
（1）以直升机为飞行平台，实现既有道路的高精度激光点云数据并够生成精确的数字高程模型（DEM）；（2）沿路线每侧1km布设一个路面控制点，进一步精化路面激光点的高程精度，达到优于5cm的精度；（3）充分利用激光点的强度信息，实现车道线的精确拟合，进而快速提取出车道线激光点；（4）利用直升机进行低空摄影，获取精确密集的三维激光点云，并利用路面控制点对路面激光点云进行精化，可生成精密的数字表面模型（DSM）。（5）在直升机上装载有3900万高分辨率航空数码相机，获取改扩建路线方案范围内的高清晰度彩色数字影像（DOM）；（6）快速生成大比例尺地形图资料；
通过人工上路测量点的统计比较，机载激光雷达扫描数据精度平面误差小于0.05m，高程误差小于0.02m，充分体现了该技术测量数据密度高、完整性好的优势，满足高速公路改扩建设计过程中对既有道路特征信息的精度要求，辅助公路改扩建工程方案设计与优化，大量减少人工外业测量。
4 结语
在高速公路改扩建项目中，通过机载激光三维扫描先进技术，提取路面上车道标线中心三维数据，以中央分隔带处2条标线和高清影像为主要依据，对老路中线进行拟合，最大限度地拟合出老路的实际线位和路面纵坡竖曲线，该技术的应用找到了既有公路形态要素拟合、恢复的方法。
利用数字高程模型DSM、高清影像DOM，结合道路设计软件，可快速生成制作可视化三维场景模型，实现了道路设计方案快捷展示，设计方案快速比选和优化，有利于对设计方案总体把握，解决了激光测量成果与高速公路改扩建的CAD交互的关键技术，为三维道路智能化设计奠定了基础。
参考文献
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