基于ArcGIS-Addin 的激光點云斷面數據提取應用研究

李升甫 徐選清 楊天宇 楊 洪

(四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司,四川成都 610041)

1 概述

激光雷達掃描測量技術擁有數據采集速度快、密度大、精度高等特點,在道路建設行業中得到越來越多的應用[13]。 已有許多學者對基于激光雷達數據的地面線采集和應用進行了相關研究[68],但尚未形成系統化、規模化的生產模式。 基于ArcGIS-Addin,開發了激光點云斷面數據處理軟件,實現了道路設計所需縱、橫斷面數據的自動化提取,可生成“緯地”、“金思路”等多種道路設計軟件通用的斷面數據,以期推動激光雷達技術在公路工程中的推廣應用。

2 激光點云斷面數據自動提取

2.1 作業方法簡述

地面線提取步驟:先利用地面的激光點云數據生成數字高程模型,然后利用數字高程模型生成各種地面線信息。 在激光點云數據基礎上,構建不規則三角網模型,然后對高程進行插值,進而得到道路設計所需的各種地面線數據。

2.2 ArcGIS Add-in 開發方式概述

ArcGIS Add-in 開發方式支持. net、java 和Python等多種開發語言,用于定制和擴展ArcGIS 桌面軟件功能。 它具有易于掌握和安全性高等特點,支持菜單、工具條、按鈕、組合框、可停靠窗口、應用擴展和編輯擴展等功能。

Add-in 方式在ArcGIS 桌面軟件的基礎上進行功能的定制和擴展,開發人員只需專注于業務數據的處理,很大程度上減輕了開發者的工作量。 以下選用C#語言,以Add-in 插件開發方式進行激光點云斷面數據的自動化提取。

2.3 精度影響因素分析

基于激光點云提取地面線的誤差主要包括:點云數據采集誤差、分類誤差和稀疏點云插值誤差:數據采集誤差不可避免,但是經過外業采集方法優化和點云數據后處理可得到一定程度的減小;分類誤差主要存在于茂密植被覆蓋區域,此類誤差的大小與作業員的技能熟練程度和經驗有關;稀疏點云插值誤差對斷面精度影響最大,主要分布于茂密植被覆蓋區域、地形變化較大區域。

2.4 激光點云斷面數據提取軟件設計

根據總體功能設計,軟件的數據處理流程如圖1 所示。

圖1 斷面數據處理流程

系統主要包括以下幾個方面的功能:

(1)道路中線恢復

道路中線是縱、橫斷面地面線提取工作的基礎。道路中線類型主要有直線、緩和曲線和圓曲線,其中緩和曲線一般采用多段線來表示,直線也可看做是多段線。 因此,道路中線可認為只包含多段線和圓曲線兩種線型。

為獲取橫斷面,首先要得到過中線點處的法線;多段線中,其法線為過中樁點且垂直于中線的直線;圓曲線中,其法線為圓心與中線點的連線。 ArcGIS 軟件的個人地理數據庫和文件地理數據都支持圓弧和多段線數據類型,系統可直接讀取dwg 格式的路線圖形文件,且不存在精度損失。

(2)法線生成

ArcGIS 軟件提供了生成法線的方法,可以在程序開發中直接使用,減輕了程序開發難度。 ARCObject中的IPolyline 接口提供了QueryNormal()方法,可根據給定的長度返回曲線在該長度位置的法線。QueryNormal()方法中的DistanceAlongCurve 參數為沿曲線長度距起點的距離,Length 參數為法線的長度,通過輸入正、負Length 參數值就可以得到中線左側和右側的法線,并自動添加樁號、法線方向(左側/右側)、角度(0 ～180°,默認為90°)等屬性。

(3)斜交線生成

除正交法線外,還有很多橋、涵、溝、渠、地方道路等與主線斜交的情況。 生成這種斜交線有兩種方法:①將切線直接旋轉實際交叉角度得到斜交線;②先生成90°的垂直法線,然后將垂直法線旋轉一個角度至所需方向,從而得到斜交線。 以下選用第二種方法,即先生成90°的垂直法線,然后進行一次旋轉(見式(1)及圖2)。

圖2 二維旋轉示意

(4)中樁和邊樁點生成

IPolyline 接口提供了QueryPoint()方法。 使用該方法,結合中線和生成的法線,可以獲得任意中樁點和邊樁點的平面坐標。

(5)高程值提取

在取得了縱、橫斷面的平面數據之后,就可以在Terrasolid 軟件中使用“drop element on surface”工具,或者在ArcMap 軟件中使用3D Analyst Tools 工具箱中的Interpolate Shape 工具(也可使用GP 工具調用“InterpolateShape_3d”命令)。 對激光點云構成的不規則三角網進行插值,可提取各種斷面點的高程值。 受數據結構的影響,同數據量情況下,Terrasolid 較ArcGIS 渲染速度快。 因此,可在Terrasolid 軟件中提取高程值,然后在ArcGIS 軟件中進行后續處理。 經過處理,縱斷面點包含樁號、方向、角度、偏距和高程5 個屬性,橫斷面點包含樁號、方向、角度和高程4 個屬性,實現了路線任意樁號、任意方向的斷面數據自動提取。系統主要界面如圖3 所示。

圖3 斷面數據處理工具條界面

(6)數據檢查與融合

為了便于檢查所提取地面線的真實性和可靠性,系統可將所提取的三維地面線與DTM 疊加,也可與實測地面線疊加,進而進行對比分析(如圖4 所示)。 另一方面,系統還實現了激光點云斷面和實測斷面的融合使用。

圖4 橫斷面圖形結果

(7)數據輸出

在斷面數據處理過程中,所有數據都以shapefile格式進行存儲。 在數據導出過程中,只需根據指定的數據格式,將shp 格式原始數據進行簡單的計算和轉換,即可得到想要的成果數據。

3 工程應用

在四川省某高速公路改擴建施工圖測設項目中,因各種原因,無法上路進行野外測繪作業。 在既有機載激光點云數據的基礎上,利用該軟件工具進行縱、橫斷面的自動提取,生成縱斷面點12 402個(6 條縱向地面線),橫斷面2 067個。 對部分路段橫斷面在既有路基外側進行了實測,并與路基范圍內激光點云斷面進行了融合(見圖5、表1 和表2)。 使用該軟件可縮短測設周期45 d,極大提高了測設效率。

表1 路面激光點云數據與實測數據對比精度統計 m

圖5 實測斷面與點云斷面圖形對比和融合

表2 路面外邊樁激光點云數據與實測數據對比精度統計m

4 結論

激光點云數據自身精度是影響所提取公路斷面數據質量的關鍵,在既有高精度LiDAR 點云數據的基礎上,基于GIS 技術和ArcGIS Add-in 平臺,設計并實現了激光點云斷面的自動提取。 該軟件能夠快速地自動提取道路設計所需的斷面數據,也可實現激光點云斷面數據與野外人工實測斷面數據的融合,最后生成不同道路設計軟件所需的數據文件,極大地提高了公路勘測設計的工作效率。 另一方面,軟件實現了三維地面線與DOM 疊加的檢查功能,保證了所提取數據的可靠性。