基于機載激光掃描的山區(qū)高速公路環(huán)保選線研究

邵艷, 余紹淮, 徐喬

(1.貴州高速公路集團有限公司，貴州 貴陽 550025；2.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司)

1 引言

推進綠色交通發(fā)展，建設(shè)綠色公路，是交通運輸行業(yè)加強生態(tài)文明建設(shè)和實現(xiàn)綠色發(fā)展的戰(zhàn)略舉措，是落實“四個交通”發(fā)展要求、實現(xiàn)公路建設(shè)健康可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。為深入推進綠色交通發(fā)展，交通運輸部發(fā)布了《關(guān)于實施綠色公路建設(shè)的指導意見》、《關(guān)于全面深入推進綠色交通發(fā)展的意見》，分三批實施了33項綠色公路建設(shè)典型示范工程，達到了各省(區(qū)、市)全覆蓋。

綠色公路以資源節(jié)約、生態(tài)環(huán)保、節(jié)能高效、服務提升為主要特征，綠色公路建設(shè)需要把生態(tài)保護理念貫穿到交通基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運營和養(yǎng)護全過程。目前，已有不少學者對綠色公路的評估方法進行了初步探索，綠色公路設(shè)計雖十分注重設(shè)計的優(yōu)化與理論的創(chuàng)新，但設(shè)計方法仍以常規(guī)方法為主：① 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以人工外業(yè)實測離散點為主，數(shù)據(jù)量小，地形表達不精細，方案變更需要二次進場測量；② 工程設(shè)計以二維設(shè)計為主，在二維環(huán)境下分別進行平、縱、橫設(shè)計，要求設(shè)計者具有一定的想象力、創(chuàng)造力和較強的空間概念，缺乏直觀感受；③ 對生態(tài)環(huán)保設(shè)計考慮較少，缺乏對生態(tài)環(huán)境信息的定性定量分析，無法根據(jù)生態(tài)環(huán)境信息優(yōu)化評價設(shè)計結(jié)果。如何利用先進的技術(shù)手段，在山區(qū)兼顧生態(tài)環(huán)境的情況下，快速、高效進行環(huán)保選線設(shè)計是山區(qū)綠色高速公路建設(shè)首要解決的技術(shù)難題。

為此，該文針對山區(qū)高速公路線形設(shè)計制約因素多、工程難度大的實際問題，提出一種基于機載激光掃描的山區(qū)高速公路環(huán)保選線方法。利用機載三維激光掃描獲取的公路建設(shè)基礎(chǔ)地理信息，通過地質(zhì)災害遙感識別與分析、生態(tài)環(huán)境影響分析及公路縱、橫斷面CAD協(xié)同設(shè)計，實現(xiàn)山區(qū)高速公路的環(huán)保選線選址研究，科學、合理地確定工程方案，達到對生態(tài)環(huán)境“最小程度破壞、最大程度恢復”的目的。

2 山區(qū)高速公路環(huán)保選線原則

公路選線是一個復雜的系統(tǒng)工程，是體現(xiàn)一個項目設(shè)計特點和設(shè)計水平的關(guān)鍵，是線、路、橋、隧各工程的綜合體現(xiàn)。山區(qū)高速公路選線的特點是高差大，地形、地質(zhì)條件復雜，工程艱巨，可比較方案多。山區(qū)高速公路環(huán)保選線應遵循以下主要原則：

(1)加強地質(zhì)選線的深度，避免線路通過嚴重地質(zhì)不良地段和防止發(fā)生嚴重工程地質(zhì)病害，減少必須通過的不良地質(zhì)地段路線長度。

(2)順應山區(qū)地形地貌條件，科學選線、合理布線，達到平面順適、縱面均衡、橫面合理。線路盡可能短直，減少敷設(shè)長度，控制橋隧比，合理安排橋梁與隧道位置。合理設(shè)計縱、橫斷面，盡量少填少挖，追求取棄平衡。

(3)突出生態(tài)選線，主動避讓自然保護區(qū)、水源地保護區(qū)等生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)，加強對自然地貌、原生植被、表土資源、濕地生態(tài)等方面的保護。嚴格保護土地資源，貫徹節(jié)約用地、少占耕地的原則，禁止耕地超占，減少土地分割。

(4)統(tǒng)籌布設(shè)公路施工臨時設(shè)施，合理設(shè)置公路沿線取棄土場、棄渣場位置，減少施工便道修建及改擴建工程，做到充分利用，減少重復建設(shè)，降低施工臨時設(shè)施對環(huán)境的影響。

3 基于機載激光掃描的山區(qū)高速公路環(huán)保選線

基于機載激光掃描的山區(qū)高速公路環(huán)保選線的核心思想：采用機載三維激光掃描，快速獲取高密度、高精度激光點云數(shù)據(jù)和高分辨率影像數(shù)據(jù)；基于激光點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，建立DEM+DOM的虛擬地表三維模型，進行公路地質(zhì)災害的遙感解譯與定性定量分析；基于激光點云數(shù)據(jù)進行植被三維重建與植被高度分析，結(jié)合高分辨率影像數(shù)據(jù)進行可見光植被指數(shù)計算，綜合分析評價公路建設(shè)生態(tài)環(huán)境影響；基于密集激光點云數(shù)據(jù)采集高精度道路縱、橫斷面數(shù)據(jù)，進行公路CAD協(xié)同設(shè)計，最終實現(xiàn)山區(qū)高速公路環(huán)保選線設(shè)計。

3.1 高精度機載三維激光掃描

機載三維激光掃描突破了傳統(tǒng)的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優(yōu)勢。為確保成果數(shù)據(jù)的完整性、準確性和可靠性，機載三維激光掃描的數(shù)據(jù)采集范圍需覆蓋各路線走廊或通道所處的帶狀區(qū)域，并不少于路線方案兩側(cè)各300 m；地面GNSS基準站間隔最遠不超過40 km，且基準站數(shù)量不少于2個；激光點云應分布均勻，點云密度大于4點/m2，原始影像地面分辨率高于0.2 m；激光點云成果的平面位置和高程中誤差應分別小于±0.50 m、±0.20 m。

3.2 地質(zhì)災害遙感識別與分析

利用激光點云構(gòu)建的高精度DEM數(shù)據(jù)和高分辨率影像數(shù)據(jù)，建立工程勘察區(qū)域的虛擬地表三維模型，對區(qū)域內(nèi)各種地質(zhì)現(xiàn)象與不良地質(zhì)體進行有效、準確的遙感識別，并對災害地質(zhì)體的分布位置、形狀、邊界范圍等空間信息進行數(shù)字采集。在此基礎(chǔ)上，通過DEM計算快速獲取災害地質(zhì)體的面積、高程、高差、坡度、坡向等幾何要素，預估災害地質(zhì)體的規(guī)模大小及其影響范圍，實現(xiàn)地質(zhì)災害的定性分析與定量分析相結(jié)合，確保地質(zhì)災害對工程的可能影響降至最低。

3.3 公路建設(shè)的生態(tài)環(huán)境影響分析

基于綠色植被的可見光光譜反射特性，利用機載三維激光掃描的高分辨率影像計算可見光植被指數(shù)，如過綠指數(shù)EXG、歸一化綠紅差值指數(shù)NGRDI、歸一化綠藍差值指數(shù)NGBDI和紅綠比值指數(shù)RGRI等，對區(qū)域植被信息進行提取與分析。對機載三維激光點云數(shù)據(jù)進行濾波處理，基于激光點云數(shù)據(jù)進行植被三維重建，對植被覆蓋度、植被高度等進行統(tǒng)計分析。采用系統(tǒng)聚類法、動態(tài)聚類法等方法，對可見光植被指數(shù)和植被高度等進行聚類分析，進行公路沿線的土地類型劃分。線路方案應盡可能從荒地和低矮植被區(qū)通過，盡量繞避大面積耕地和高植被分布區(qū)，以使公路工程建設(shè)對生態(tài)環(huán)境做到最小程度破壞。

3.4 公路縱、橫斷面設(shè)計

常規(guī)的縱、橫斷面測設(shè)方法是針對路基、橋梁、隧道洞口等不同部位，采用不同間距測定中樁位置，如路基20 m、橋梁10 m、隧道洞口5 m等，然后再測定中樁對應的橫斷面地面線，測量工作量大，路線方案變更后需要重新測量?；诟呙芏取⒏呔燃す恻c云數(shù)據(jù)，密集提取路線兩側(cè)一定閾值范圍的地面激光點用作中樁點，并直接基于地面激光點云數(shù)據(jù)內(nèi)插相應中樁的橫斷面三維地面線，避免了基于激光點云數(shù)據(jù)先構(gòu)建DEM再內(nèi)插生成橫斷面地面線的精度損失，代替人工野外測量。計算機自動生成的縱、橫斷面數(shù)據(jù)量更大，數(shù)據(jù)精度更高，在此基礎(chǔ)上進行公路縱、橫斷面設(shè)計更加合理，土石方計算更精確，通過優(yōu)化調(diào)配方法，真正做到零棄方、少借方。

4 應用效果

貴州省都勻至安順公路是交通運輸部公布的第三批綠色公路建設(shè)典型示范工程，項目位于貴州省黔南布依族苗族自治州都勻市、貴定縣、惠水縣和安順市的鎮(zhèn)寧縣，都勻至安順公路主線全長218 km，另建都勻支線43 km、貴安支線23 km，全線共分5個設(shè)計標段。測區(qū)地形主要為丘陵及山地，海拔較高，云層低，雨量多，陰雨天氣持續(xù)時間長，項目工期緊，人工測量困難。

項目采用恩斯特龍480B直升飛機為飛行平臺，搭載RIEGL VUX激光掃描儀進行高精度機載三維激光掃描，數(shù)據(jù)采集寬度為路線中心線兩側(cè)各800 m，激光點云密度為4.1點/m2，原始影像地面分辨率為0.07 m。為保證數(shù)據(jù)成果精度，項目加大了地面GNSS基站的布設(shè)密度，共布設(shè)15個地面基站，全部架設(shè)在測區(qū)四等GNSS控制網(wǎng)上，采用靜態(tài)基站模式；并在測區(qū)布設(shè)測量48個參考面，平均間距約5 km，用于對激光點云數(shù)據(jù)進行精度檢測與控制。項目利用3 243個外業(yè)實測數(shù)據(jù)對激光掃描測量成果進行精度檢測，精度滿足工程詳測與施工圖設(shè)計要求(表1)。

采用該文方法對貴州省都勻至安順公路第DASJ-1標段進行山區(qū)高速公路環(huán)保選線研究。第DASJ-1標段為項目起點路段，路線全長55.542 km，該標段是全線地形起伏最大、地質(zhì)條件最復雜、植被生長最茂密路段，沿線旅游景觀生態(tài)資源豐富。

第DASJ-1標段采用三維地質(zhì)遙感解譯方法共識別滑坡3處、崩塌堆積體13處和不穩(wěn)定斜坡1處，其中1處滑坡和3處崩塌堆積體對路線有一定影響，采取繞避或以橋梁形式通過以降低地質(zhì)災害對公路工程的危害。利用SPSS軟件對第DASJ-1標段的過綠指數(shù)EXG、植被高度等進行系統(tǒng)聚類分析，將區(qū)域土地類型劃分為荒地(包括宅地、道路等)、低矮植被區(qū)、中等高度植被區(qū)、高植被區(qū)等土地類型，最終的路線方案主要從中、低植被區(qū)通過，將公路建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的破壞降至最低。

第DASJ-1標段路線方案生態(tài)環(huán)境分析結(jié)果見表2。

表2 第DASJ-1標段路線方案生態(tài)環(huán)境分析結(jié)果

基于高密度、高精度激光點云數(shù)據(jù)，第DASJ-1標段共提取6 310個地面激光點用作中樁點，直接基于激光點云數(shù)據(jù)生成相應中樁的橫斷面三維地面線，橫斷面地面線單側(cè)寬度為80～200 m，地面線總長度達1 586 km。該標段地形起伏大，橋隧比例高，公路設(shè)計盡可能避免了高填深挖，該標段總挖方994.8萬m3，填方976.1萬3，做到了少棄方、零借方。

5 結(jié)論

通過貴州省都勻至安順公路工程實踐，得出以下結(jié)論：

(1)機載三維激光掃描的數(shù)字正射影像圖平面精度達到0.183 m，激光點高程精度達到0.156 m，滿足高速公路詳測與施工圖設(shè)計的高精度要求。

(2)建立虛擬三維環(huán)境進行遙感解譯可有效識別、分析地質(zhì)災害，評價災害體規(guī)模大小及其影響范圍，為地質(zhì)災害的危險性分析與地質(zhì)選線提供依據(jù)。

(3)基于機載三維激光掃描進行可見光植被指數(shù)計算與植被三維重建，實現(xiàn)公路建設(shè)生態(tài)環(huán)境影響量化分析，使公路建設(shè)對沿線環(huán)境做到最小程度破壞。

(4)采用激光點云數(shù)據(jù)直接生成縱、橫斷面地面線，斷面數(shù)據(jù)量大、精度高，確保公路縱、橫斷面設(shè)計合理，土石方計算準確、調(diào)配科學。