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车载与机载激光测量系统在高速公路改扩建中的应用

2018 / 06 / 08
随着经济的发展、城市的快速扩张,以及交通运输量的日益增长,高速公路路网承载空间日趋饱和。相比新建公路,改扩建项目的建造、占地成本相对较低,是目前解决路网压力的有效方式之一。高速公路改扩建是一项较为复杂的工程项目,在设计施工前,需要对原有公路及两侧一定带宽范围内的地形地貌进行详细勘测。本文基于高速公路改扩建的技术要求,开展车载与机载激光测量系统相结合的双系统测量的应用研究。
一、双系统三维激光测量技术的优势
相比传统测量技术,三维激光在测量方式和测量成果方面均有新的技术革新,主要技术优势为效率高、点云密度大、测量精度高、主动式测量、外业工作量低等。然而,仅基于车载激光测量或机载激光测量中单一的三维激光测量系统在改扩建中仍有一定的局限:
1.车载激光测量系统可以满足高速公路路面测量要求,但道路边坡外侧区域存在一定的测量盲区
2.机载激光测量系统的测量精度与车载激光测量系统相比较低,为满足改扩建中路面测量的技术要求,对机载激光测量系统的性能和作业规范要求严苛。
基于高速公路改扩建的技术需求,根据不同三维激光测量系统的技术优势,本文提出车载和机载激光测量系统相结合的双系统解决方案。
二、整体解决方案
双系统测量的技术路线如图所示。
 
总体技术流程
高速公路内部采用车载激光测量系统快速获取道路路面高密度的点云数据ꎬ成果精度在5cm以内;然后在路面一侧按一定的间距布设水准点,进行精密水准测量,通过水准点进行高程精化,从而得到平面5cm、高程2cm、密度超过500点/m2的高质量路面三维点云数据。
高速公路两侧带宽采用机载激光测量系统进行点云数据采集,成果精度可以达到15cm以内,满足1:2000测图要求,在高差变化大和植被覆盖的区域数据获取能力远高于传统航测。最后利用专业的数据成图软件,基于点云数据和高清影像数据完成道路纵横断面、道路带状地形图等专题测绘。
三、设备一览表
(一)ARS-1000机载激光测量系统
ARS-1000机载激光测量系统可以大载荷旋翼无人机或三角翼和直升机等为载体,一体化集成高精度激光扫描仪、数码航摄相机、高精度POS(GPS、IMU)等传感器,广泛应用于地形测绘、公路铁路勘测、海岸带测绘、考古调查与测绘等领域。
 
激光发射频率:最大75万点/秒
角分辨率:0.001°
扫描速度:最大200线/秒
激光测距精度:15mm
测量距离: 1350m@60%;820m@20%
系统精度:15cm@500m
(二)HiScan-Z高精度三维激光移动测量系统
HiScan-Z高精度三维激光移动测量系统是海达数云自主研制的新型测绘装备,该系统可轻松完成矢量地图数据、街景数据和三维地理数据的生产处理,广泛应用于基础地形测绘、城市市政部件/园林普查、交通勘测设计、交通信息化普查、街景地图服务、数字三维城市等领域。
 
测量距离:119m
激光发射频率:101万点/秒
角分辨率:0.0088°
激光测距精度:0.1mm
全景分辨率:7500万像素
系统精度:5cm@100m
扫描速度:最大200线/秒
四.应用案例
(一)项目概况
华中地区某高速公路计划进行扩容升级,需要获取沿线公路30km及中心线两侧250m范围的3D成果(DEM、DOM、DLG)。公路路面测量精度要求平面5cm,高程2cm;路面以外区域满足1:2000地形图测量要求。
(二)作业路线
应用海达数云HiScsn-Z车载激光测量系统采集高速公路路面的点云数据,在应急车道每隔300m布设一个水准点,并参与点云数据高程精化,最终得到高精度的点云数据,生成公路横纵断面图。
应用海达数云ARS-1000机载激光测量系统沿公路中心线采集两侧范围内250m的点云数据和正射影像。
  

HiScan-Z车载移动测量系统(左)和ARS-1000机载LiDAR系统(右)

(三)精度验证
本项目沿公路路面布设了128个验证点,测量其平面坐标和水准高程,然后在点云数据中提取对应的特征点坐标,检核车载移动测量系统的成果精度。从表1可知,点云数据平面精度优于5cm,高程精度优于2cm。
 
车载移动测量系统精度验证表
在测区均匀选取90个特征点,然后在机载激光测量系统采集的点云数据中,通过线交汇的方式提取相应的坐标值进行精度比对。从表2可知,点云数据平面和高程精度优于15cm。
 
机载LiDAR系统精度验证表
综上,双系统测量模式能够满足高速公路改扩建项目的测量精度要求。
(四)测绘成果
基于双系统获取的点云和影像数据,可以快速生成3D成果。
 
生产软件
 
点云数据
 
机载激光测量系统点云数据(左)和车载激光测量系统点云数据(右)
 
1:2000 DLG(左)和DEM(右)
 
公路纵横断面图

路面特征点示意图
五.结束语
基于车载激光测量系统和机载激光测量系统的双系统测量模式,实现双系统间的优势互补,可有效解决车载激光测量系统在边坡以外的测量盲区和机载激光系统难以满足公路路面测量精度要求的双重问题。本文提出的双系统综合应用法不仅可以满足高速公路改扩建的技术要求,而且可使工作效率得到显著提升。

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