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        激光雷達技術(shù)在高速公路改擴建勘察測量中的應(yīng)用

        2022-11-07 05:28:06吳軍
        河南科技 2022年18期
        關(guān)鍵詞:檢查點靶標激光雷達

        吳軍

        (四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司,四川 成都 918100)

        0 引言

        2021年,四川省高速公路通車里程突破8 600 km,然而隨著私家車數(shù)量的增長,四川省部分地區(qū)早期建設(shè)的高速公路已無法滿足人們舒適出行的要求,這就要求加快對高速公路的改造和擴建。本研究選取的研究對象遂寧至重慶高速公路擴容是《四川省高速公路網(wǎng)規(guī)劃(2019—2035年)》中新增的八條擴容路段中的一條,是成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈4 條高速通道成遂渝通道的組成部分。

        改擴建的首要問題是獲取原有道路的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于遂渝高速于2007年建成通車,距今已有十幾年的時間,因長期維護,特別是瀝青路面的多側(cè)鋪設(shè),導(dǎo)致原有的竣工資料已無法滿足改擴建高精度基礎(chǔ)資料的要求。僅依靠傳統(tǒng)測量的作業(yè)方式,即使用RTK 或全站儀采集數(shù)據(jù),首先是作業(yè)效率較低、工作量較大、工期較長,人員在交通量非常大的高速公路上作業(yè)也存在很大的風(fēng)險;其次是測量斷面的數(shù)量問題,斷面數(shù)過少無法反映原有公路路面、邊坡等地形的實際情況,斷面數(shù)過多會導(dǎo)致工作量增加,從而導(dǎo)致工期延長。因此,針對高速公路改擴建工程對獲取高精度三維地表數(shù)據(jù)的需求,采用先進的激光雷達技術(shù)進行勘測,可快速、高效地獲取原有高速公路路面、道路兩側(cè)邊坡及構(gòu)造物的三維數(shù)據(jù)情況,為設(shè)計人員提供可靠的高精度基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

        1 激光雷達

        近年來,激光雷達技術(shù)發(fā)展迅速,并逐漸走向成熟,可在載人飛機、無人機、汽車等載體上搭載激光雷達裝置,其集全球定位系統(tǒng)(GPS)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)、激光掃描儀和光學(xué)攝影等先進技術(shù)于一體[1]。本研究采用機載激光雷達來獲取高速公路沿線影像和點云數(shù)據(jù),采用車載激光雷達來獲取高速路面、高速路邊坡及兩側(cè)構(gòu)造物等點云數(shù)據(jù),通過將二者融合,使獲得的數(shù)據(jù)密度更高、精度更優(yōu),能更精準地反映出原有高速路的地表情況。

        激光雷達是激光技術(shù)與現(xiàn)代光電探測技術(shù)融合的先進探測方式,其由信號發(fā)射系統(tǒng)、信號接收系統(tǒng)、信息處理等部分組成。激光器產(chǎn)生并發(fā)射一束光脈沖,該光脈沖打到物體后會反射回來,最終被接收器接收;接收器能準確地測量出光脈沖從發(fā)射到被反射回的時間,由于光速已知,對距離的測量即可轉(zhuǎn)換為對傳播時間的測量。結(jié)合激光器的高度、激光掃描角度,再通過GPS獲得激光器位置、通過INS 獲取激光的發(fā)射方向,就可準確地計算出每一個地面光斑的橫縱豎(X、Y、Z)坐標值[2]。通過激光雷達附帶的高清晰照相機可同時獲取高精度影像數(shù)據(jù)。

        2 激光測距設(shè)計與實現(xiàn)

        四川省交通設(shè)計院承接了遂渝高速擴容項目,該項目起于成南高速桂花互通,與成南高速、遂回高速形成十字樞紐互通,路線沿原遂渝高速進行擴容,經(jīng)遂寧市船山區(qū)、經(jīng)開區(qū)、高新區(qū)、安居區(qū),止于川渝省界的書房壩處,與遂渝高速擴容重慶段相接,全長約為46.5 km。全線沿道路中心線兩側(cè)交叉布設(shè)74 個四等控制點,在此基礎(chǔ)上進行像控點測量、路面靶標測量、航空攝影測量、三維點云數(shù)據(jù)采集、點云精度檢查等工作,最后結(jié)合機載與車載點云數(shù)據(jù)形成最終成果??傮w技術(shù)路線如圖1所示。

        圖1 總體技術(shù)路線

        機載激光雷達采用羅賓遜R44直升機作為飛行平臺和瑞格公司生產(chǎn)的HS-1600低空激光掃描測圖系統(tǒng),沿測區(qū)線路選取3 個控制點用于獲取航飛數(shù)據(jù)同步靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)。飛行相對高度為400 m、航高浮動允許范圍為100、航間距為250 m、飛行速度為120 km/h、照片拍攝時間間隔為100 ms。為了保證激光點云密度,掃描頻率設(shè)定為100 kHz、航向重疊度為69%~77%、旁向重疊度為41%~57%。像控點均勻分布于測區(qū),因測區(qū)為帶狀,每2 km 布設(shè)一對像控點。

        車載激光雷達以三菱越野車搭載瑞格公司生產(chǎn)的HS-1 600 低空激光掃描測圖系統(tǒng)。成果要求點云密度≥100 點/m2,高程中誤差優(yōu)于2 cm,路面點邊緣與道路寬度基本擬合。考慮到作業(yè)的安全性,將靶標點布設(shè)在應(yīng)急車道或路肩位置上,靶標高程糾正點約間隔150 m 布設(shè)一個,平面糾正點約間隔300 m布設(shè)一個,高速路雙向間隔約為150 m交叉布設(shè)。由于高速路的匝道視線不好,容易發(fā)生交通事故,故將靶標布設(shè)于互通匝道的起終位置。靶標布設(shè)主要采用十字形方式,由人工涂刷白色油漆,寬度約為10 cm,測量十字形的中心點位置。在外業(yè)測量時,要對靶標糾正點進行編號,且標記于現(xiàn)場,并存取奧維位置。靶標糾正點的平面坐標測量采用架設(shè)基準站,用對中桿架設(shè)RTK 進行測量,采集時間為60 s,高程采用徠卡電子水準儀進行四等水準測量。全路段共布設(shè)平面靶標點383 個,施測靶標水準高程點706 個。靶標水準按照15 km 左右的高速主線段落附合至項目水準控制網(wǎng),精度統(tǒng)計見表1。

        表1 靶標水準測量精度統(tǒng)計表

        點云檢查點、線時,使用RTK 來采集高速公路應(yīng)急車道白線外邊緣??紤]到高速路中央隔離帶產(chǎn)生的影響,還有匝道車輛上下等問題,為了能夠獲取最優(yōu)的數(shù)據(jù)成果,分別在高速路雙向車道進行兩次測量(見圖2、圖3)。為了使車載雷達的掃描區(qū)域能夠覆蓋更廣的范圍,提高數(shù)據(jù)覆蓋的完整性,部分地方的快慢車道都進行測量。

        圖2 RTK靶標點測量

        圖3 檢查線采集位置

        在對外業(yè)數(shù)據(jù)采集完畢后,首先通過像控點和靶標點分別對預(yù)處理后的機載雷達和車載雷達點云數(shù)據(jù)進行整體平差與精度優(yōu)化,可在MicroStation平臺上面開發(fā)的TerraSolid軟件中的TerraScan模塊對點云數(shù)據(jù)進行細化分類。在進行分類處理前,用工作區(qū)及分類宏對整個工程項目的點云數(shù)據(jù)進行濾波處理,剔除部分空中、地面粗差的點。然后利用軟件法將地面和非地面的點云進行分類,再手動分出鐵搭和光纜線,最后進行人工檢查,利用TerraModeler 和TerraScan 模塊查看點云分類情況,對分類錯誤的點云進行改正。將分類處理后的點云導(dǎo)入外業(yè)測量的點云檢查點,檢查成果質(zhì)量(見圖4),對發(fā)現(xiàn)的問題找出根源并解決。

        圖4 實測檢查線與點云套合檢查圖

        3 結(jié)果分析

        在該項目實施過程中,依據(jù)項目檢查內(nèi)容對關(guān)鍵工序質(zhì)量進行檢查,主要有以下4方面。

        3.1 飛行質(zhì)量控制檢查

        航向重疊度為69%~77%,旁向重疊度為45%~57%,影像質(zhì)量良好,紋理清晰,色彩均勻,無云霧遮擋、曝光過度等現(xiàn)象。

        3.2 POS解算結(jié)果質(zhì)量檢查

        POS 解算使用雙基站聯(lián)合平差解算,解算精度誤差滿足規(guī)范要求。

        3.3 點云質(zhì)量檢查

        點云數(shù)據(jù)格式為.las,采集到的數(shù)據(jù)分為高程檢查點、平面檢查點,用這兩類點分別對項目的高程、平面精度進行評估。高程檢查點外業(yè)共采集218 個點,經(jīng)統(tǒng)計得到的激光點云高程精度評定結(jié)果如下:平均高差為0.073 m、最小高差為0.001 m、最大高差為-0.290 m、中誤差為0.089 3 m,點云高程中誤差滿足規(guī)范中誤差小于0.35 m 的要求;平面實地檢測時,選擇不同地形、不同高程的點進行實測,從而分析地形狀態(tài)對成果精度的影響。檢測對象包括圍墻轉(zhuǎn)角、四角方形建筑、硬質(zhì)地面明顯轉(zhuǎn)角處等容易在影像上分辨的地物,此測區(qū)共計616個外業(yè)實測檢查點。根據(jù)檢查結(jié)果得到的點云平面精度指標:平均平面差為0.094 m、最小平面差為0.005 m、最大平面差為0.174 m、中誤差為0.104 m,點云平面中誤差滿足規(guī)范中小于12 cm的要求。使用點云處理模塊TerraScan 自動檢測,得到全線點云密度平均值為590 點/m2。高速路面高程點檢查使用點云處理模塊TerraScan 自動檢測383 個高程點數(shù)據(jù)生成的激光點云精度報告。高程偏差最大值為0.034 m、高程偏差最小值為0.000 m、高程中誤差為0.012 m,高程精度誤差滿足低于2 cm 的設(shè)計要求。高速路面點云成果的平面精度檢查,采用特征檢查線對比距離檢查。檢查線采集675 處均勻分布于全線,對每條檢查線采集三點連線,采集線長4~5 m,與最終點云成果擬合車道線同一位置進行距離對比,距離值取檢查線與車道線之間的最大值。最大距離差為0.051 m,最小距離差為0.000 m,距離中誤差為0.018 m。

        3.4 DOM質(zhì)量檢查

        DOM 地面分辨率為0.037~0.050 m。DOM 影像色彩均勻、紋理清晰,滿足矢量化要求。DOM 投影方式及坐標系統(tǒng)采用與項目工程坐標系一致的工程獨立坐標系,即橢球CGCS2000,中央子午線為105°30',投影高為300 m。DOM 平面精度檢查采用實測地物與影像上的地物進行對比。實地檢測時,選擇不同地形、不同高程的點進行實測,以分析地形狀態(tài)對成果精度的影響。檢測對象包括圍墻轉(zhuǎn)角、四角方形建筑、硬質(zhì)地面明顯轉(zhuǎn)角處等容易在影像上分辨的地物,此測區(qū)共計616 個外業(yè)實測檢查點。平均平面差為0.105 m、最小平面差為0.008 m、最大平面差為0.213 m、中誤差為0.115 m,影像平面中誤差滿足小于12 cm的要求。

        在車載激光雷達測量的靶標布設(shè)中,共布設(shè)三類靶標,分別為“X”型、“O”型及“”型。其中,“X”型作為主要靶標點,均勻地分布在高速路應(yīng)急車道上;“O”型及“”型作為試驗靶標點,主要分布在收費站外側(cè)道路上。通過試驗發(fā)現(xiàn),“O”型靶標在內(nèi)業(yè)作業(yè)中較難捕捉其圓心,“”型靶標在內(nèi)業(yè)中能較好地捕捉其扇形交叉點,但在外業(yè)涂刷靶標時比較費時,且圖形有時涂刷不準確。最終,仍使用“X”型靶標,在外業(yè)涂刷時較為方便,且內(nèi)業(yè)捕捉交叉點也較準確。

        4 結(jié)語

        在對既有遂渝高速公路改擴建中,對既有路面的高程精度要求較高,因此采用車載激光雷達方法進行測量。但車載點云與航測點云數(shù)據(jù)存在交叉部分,且兩種點云數(shù)據(jù)量非常大,融合非常困難。內(nèi)業(yè)組通過安排多名參與過成南高速擴容項目的優(yōu)秀技術(shù)人員,參考成南高速擴容的相關(guān)經(jīng)驗,并在此基礎(chǔ)上改進作業(yè)方法,通過多次檢查、修改點云融合部分的成果數(shù)據(jù),最終使車載點云數(shù)據(jù)與航測點云數(shù)據(jù)實現(xiàn)較好的融合,給設(shè)計人員提供精度可靠的成果數(shù)據(jù)。激光雷達點云巨大的數(shù)據(jù)量為三維數(shù)據(jù)成果的精度提供保障,但仍須對點云平差、分類進行更加深入的研究,使點云分類更快速、高效。

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