摘要：機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)不僅可以測量地區(qū)地形圖還可測量線路走廊帶，也可以提供高精度的數(shù)字地面模型為后期設(shè)計做準(zhǔn)備，同時結(jié)合地物影像數(shù)據(jù)，增強(qiáng)了對地物的判別能力，在高速公路勘測設(shè)計等行業(yè)領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景和優(yōu)勢?；诖耍捎脵C(jī)載雷達(dá)技術(shù)獲取測區(qū)范圍內(nèi)原始點云數(shù)據(jù)，應(yīng)用Terrasolid軟件的一系列模塊對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。包括在TerraScan模塊對激光點云進(jìn)行濾波、分類，在TerraModeler模塊中對濾波后的激光點云進(jìn)行重組，內(nèi)插生成DEM，最后獲得的橫斷面高程精度為±0.12m（檢查限差為±0.31m），滿足高速公路勘測規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：機(jī)載激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)公路勘測橫斷面圖

ResearchontheMeasurementMethodofHighwayCross-SectionsBasedonAirborneLiDAR

CHENZhen

WuhanComprehensiveTransportationResearchInstituteCo.，Ltd.，Wuhan，HubeiProvince，430015China

Abstract：AirborneLiDARtechnologycannotonlymeasurebothregionaltopographicmapsandroutecorridorregions，butalsoprovidehigh-precisiondigitalgroundmodelstoprepareforlaterdesign，andcombinedwithgroundobjectimagedata，itenhancestheabilitytodistinguish groundobjects，whichhasbroadapplicationprospectsandadvantagesinindustriessuchashighwaysurveyanddesign.Basedonthis，thisarticleusesairborneradartechnologytoobtainrawpointclouddatawithinthemeasurementarea，appliesaseriesofmodulesofTerrasolidsoftwaretoprocessthepointclouddata，whichincludesfilteringandclassifyingthelaserpointcloudintheTerraScanmodule，recombiningthefilteredlaserpointcloudintheTerraModelermoduleandinterpolatingtogeneratetheDEM，andfinallytheelevationaccuracyoftheobtainedcross-sectionis±0.12m（theinspectionlimitof±0.31m），whichmeetstherequirementsofhighwaysurveyspecifications.

KeyWords：AirborneLiDAR;Pointclouddata;Highwaysurvey;Cross-sectiondrawing

近年來，我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)生了翻天覆地的變化，公路建設(shè)的成就令世人矚目。一方面，經(jīng)濟(jì)社會的向前發(fā)展為公路建設(shè)注入了必要的資金；另一方面，公路建設(shè)的推進(jìn)極大地促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)社會的向前發(fā)展[1]。隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷進(jìn)步，公路建設(shè)的速度進(jìn)一步加快。傳統(tǒng)測量模式由于其數(shù)據(jù)獲取模式單一、自動化程度不高、勞動強(qiáng)度大、工作效率低下等弊端，已不能滿足新時代公路建設(shè)對公路測繪的新要求。如何實現(xiàn)公路建設(shè)需要的空間數(shù)據(jù)的自動、高效、準(zhǔn)確獲取，并對其進(jìn)行快速處理，形成公路建設(shè)需要的可靠成果，是測繪地理信息工作者一直研究和追求的目標(biāo)之一。

公路設(shè)計測繪先行，公路測繪分為初測、定測2個階段，以滿足不同設(shè)計階段的數(shù)據(jù)需求。公路初測階段主要是對路線方案進(jìn)行比較，確定路線基本走向，一般要求1∶2000比例尺地形圖，重要工點要求測制1∶500比例尺地形圖。為了滿足定測階段施工圖設(shè)計需要，主要進(jìn)行路線中樁測量及橫斷面測量[2]。

公路橫斷面測量是測定與公路中線正交方向上地形的起伏情況，用于擋墻、路基（包括排水、用地）、土石方工程量的計算和防護(hù)工程設(shè)計。傳統(tǒng)測繪方式是采用水準(zhǔn)儀、全站儀、ＲTK等儀器設(shè)備獲取斷面線地形變換點平面位置和高程[3]。本文以某高速公路機(jī)載激光雷達(dá)航測為例，探討點云數(shù)據(jù)獲取與處理、應(yīng)用效果評價等環(huán)節(jié)，剖析測繪新技術(shù)在公路橫斷面測量中的應(yīng)用效果。

1任務(wù)要求

某高速公路主線67km，地勢高差起伏較大，沿線沖溝、坎居多，居民地分布少。任務(wù)要求獲取擬建高速公路設(shè)計中心線左右兩側(cè)各250m帶寬范圍內(nèi)機(jī)載雷達(dá)點云數(shù)據(jù)。參照《機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范》（CH/T8024—2011）相關(guān)要求及設(shè)計單位特殊要求，其中，點云密度大于16點/m2。高程精度：經(jīng)分類的點云數(shù)據(jù)高程中誤差不大于0.1m，困難地區(qū)（大面積植被覆蓋、亂掘地、采沙場、地面坡度在6°以上等）的中誤差可相應(yīng)放寬0.5倍。

2技術(shù)路線

首先，采用機(jī)載雷達(dá)技術(shù)獲取測區(qū)范圍內(nèi)原始點云數(shù)據(jù)；其次，通過內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)預(yù)處理、點云數(shù)據(jù)濾波等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，獲得地面點云；最后，在精度合格情況下，通過橫斷面處理軟件進(jìn)行道路任意斷面提取、繪制斷面圖[4]。技術(shù)流程如圖1所示。

其中，航線規(guī)劃需要綜合考慮預(yù)期高程精度、點云密度、無人機(jī)起降場地、立交橋及支線不規(guī)則飛行范圍、敏感點及高大建筑物避讓、山區(qū)仿地飛行耗電量高等特點，在保證安全的基礎(chǔ)上，參考經(jīng)驗數(shù)值，山區(qū)3～4km/架次、平原5～7km/架次，共規(guī)劃22架次。

3LiDAR數(shù)據(jù)處理

機(jī)載雷達(dá)點云數(shù)據(jù)來源于各種不同的集成儀器，主要包括載體位置、方向、距離值、時間、回波強(qiáng)度、光學(xué)影像等數(shù)據(jù)信息，處理這些數(shù)據(jù)時要同步提取和內(nèi)插，然后計算出最終想要的測量數(shù)據(jù)。機(jī)載雷達(dá)數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)后處理即點云濾波分類、航帶拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)字產(chǎn)品（包括數(shù)字地面模型、數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像圖及數(shù)字線劃圖等）的制作。本項目的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)主要利用Terrasolid軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在TerraScan模塊中進(jìn)行點云濾波分類，在TerraModeler模塊中制作數(shù)字地面模型和數(shù)字高程模型，在TerraPhoto模塊制作數(shù)字正射影像圖。

3.1數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理的內(nèi)容包括導(dǎo)航文件制作、控制文件制作、三維點云數(shù)據(jù)的生成，如圖2所示。

3.2點云數(shù)據(jù)后處理

3.2.1點云濾波、分類

這一步也即基于三角網(wǎng)濾波算法，在開始時選取一些最低點構(gòu)建原始地面模型，這些模型中只有最高點分布在地表上，其他大部分都低于地面，然后反復(fù)加入新點反復(fù)建立地表三角網(wǎng)，最終把地表點分離出，使模型比較接近真實地表[5]。點云自動濾波前后對比結(jié)果如圖3所示。

在工程應(yīng)用中，參數(shù)的設(shè)定很難保證達(dá)到所需要的理想濾波效果，目前也沒有能夠完全將各類點精確分類的濾波方法。因此，需要人工干涉以保證濾波結(jié)果符合相關(guān)要求，滿足生產(chǎn)需要。

3.2.2坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)采用的是WGS-84坐標(biāo)系，大地高為其高程基準(zhǔn)，本項目采用1980西安坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)為1985國家高程基準(zhǔn)，兩種坐標(biāo)系和高程基準(zhǔn)不能直接應(yīng)用測量結(jié)果，必須進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

在測區(qū)內(nèi)沿路線測量部分高程和平面參考數(shù)據(jù)，每隔約10km做一個參考面。WGS-84坐標(biāo)利用七參數(shù)法轉(zhuǎn)換成1980西安坐標(biāo)。在測區(qū)進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測結(jié)算出高程擬合參數(shù)，利用擬合法進(jìn)行高程擬合轉(zhuǎn)換。

3.3數(shù)字高程模型（DigitalElevationModel，DEM）制作

3.3.1缺失數(shù)據(jù)區(qū)域的補(bǔ)測

由于水體的反射性，水域基本沒有點云數(shù)據(jù)，魚塘、河流等出現(xiàn)較大的無數(shù)據(jù)區(qū)域。另外，植被茂密，地形特殊處也有數(shù)據(jù)缺失現(xiàn)象，內(nèi)插后影響數(shù)字高程模型精度，對這些不滿足要求的區(qū)域利用GPSRTK和全站儀進(jìn)行補(bǔ)測、實測、特征點采集，以彌補(bǔ)點云缺失的數(shù)據(jù)，并提供對LIDAR數(shù)據(jù)進(jìn)行必要校正的數(shù)據(jù)[6]?；诒卷椖康奶攸c，實測為主，激光點細(xì)化之；空曠裸露區(qū)域以激光點為主，實測點校正之。

本項目補(bǔ)測采用的儀器有：GPS是標(biāo)稱精度均為實時動態(tài)時的平面精度為±10mm+1pm的天寶5700和天寶5800；全站儀是測角標(biāo)稱精度為2″的Leica905L，測角標(biāo)稱精度為2″的TOPCON602和測角標(biāo)稱精度為5″的TOPCON335。

采點的主要內(nèi)容及要求：（1）實測測區(qū)內(nèi)數(shù)模特征線，包括道路、水域、斷裂線（地形突變?nèi)鐩_溝、陡坎、坡等）等；（2）對測區(qū)已有道路施測時應(yīng)確保能反映路基斷面形狀，二級及以下公路應(yīng)測5個點（兩側(cè)坡底，兩路肩外側(cè)，路中點）；（3）水域（河、湖、溝、渠、塘等）測量時，其岸體視同坡坎進(jìn)行采集；單線表示的溝渠（寬度小于2m）實測溝底高程并量注寬度，內(nèi)業(yè)及時將測量數(shù)據(jù)整理成圖形；（4）高大植被茂密區(qū)域，激光點可能無法穿透到地面，外業(yè)人員對這樣的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)點工作，由于這種區(qū)域RTK往往無信號，利用全站儀進(jìn)行施測。

3.3.2DEM制作

在TerraModeler模塊中制作數(shù)字高程模型。將實測點與經(jīng)過濾波的激光點展繪在圖上，用“激光點檢查”工具對激光點進(jìn)行統(tǒng)計和分析工作，從而達(dá)到激光點、實測點互檢。在植被茂密地區(qū)，激光點可能會不準(zhǔn)確，就將此地區(qū)實測的點展到點云圖上，并刪去實測點范圍內(nèi)的激光點云，則所繪制的三角網(wǎng)加上實測的高程點及激光點云形成最終的可構(gòu)建模型的不規(guī)則三角網(wǎng)。有些水域沒有激光點，如魚塘中沒有激光點，其他的水溝水面也沒有激光點，這就需要將所測的斷裂線繪制成三角網(wǎng)，再加上點云，構(gòu)建TIN和三維模型如圖4所示。

3.4橫斷面圖制作

斷面圖是根據(jù)測量資料繪制的可以直觀、準(zhǔn)確地體現(xiàn)地面起伏狀況的資料，是高速公路工程中路基設(shè)計，土方量計算以及放樣、路基形狀檢查的數(shù)據(jù)支持。橫斷面測量是利用數(shù)字高程模型基于AutoCAD的二次開發(fā)軟件模塊生成。根據(jù)給出的中樁高程值，在數(shù)字高程模型上求出其高程值，作為第一個點。然后，再在垂直中線的方向上以一定的步長（一般取0.5m）搜尋特征點，并利用雙線性內(nèi)插的方法求出其高程值，同時計算出這兩個點之間的距離（s）、高差（h）和兩點間的斜率（k），再根據(jù)步長和k求出第三個點的高程，如果與其在數(shù)字高程模型上的高程之差絕對值小于之前設(shè)置的閾值，則不保存，繼續(xù)搜尋計算下一個特征點；反之，則保存第二個點的坐標(biāo)，并將其作為第一個點，剛才計算的點作為第二個點重復(fù)上述操作，以此類推求出橫斷面的所有特征點，從而根據(jù)斷面要求在數(shù)字高程模型上提取出橫斷面線。

利用全站儀、GPSRTK對機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)產(chǎn)品精度進(jìn)行檢查，DEM高程精度±0.12m（限差為±0.2m），橫斷面高程精度與DEM高程精度相同，為±0.12m（檢查限差為±0.31m），這些精度均滿足高速公路勘測規(guī)范要求。

4結(jié)語

斷面法是基于傳統(tǒng)測繪點對點模式的一種成果展現(xiàn)形式，也是目前交通、水利行業(yè)設(shè)計、施工階段重要的測繪成果之一。相較于方格網(wǎng)法，傳統(tǒng)斷面方式并不能發(fā)揮海量點云數(shù)據(jù)優(yōu)勢，還有待技術(shù)規(guī)范、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的更新和支持，同時還需對新技術(shù)應(yīng)用不足和關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行更深入研究。本文對交通、水利等類似業(yè)務(wù)的開展具有重要參考價值，可以借鑒使用。

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