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摘 要
针对公路勘察设计中获取地面线信息效率低、精度低的问题，提出一种新的利用海量高精度激光雷达数据生成设计地面线的办法。该办法采用基于路线方法的索引办法对激光雷达数据进行动态管理，并且结合Microstation平台二次研发，设计并实现了道路设计地面线自动提取的软件工具。经过工程实践显示：利用该办法能够进行设计地面线的快速自动提取，加强公路勘测设计的效率，节省外业测绘成本，并实现激光雷达测绘与公路施工图设计的一体化。
引用格式
余飞,陈楚江,张霄.激光雷达数据的地面线的自动生成办法[J]．测绘科学，2016，41（11）：89-92,113.
正文
在公路勘察设计周期，丰富、准确的设计地面线信息（横断面、纵断面等）的获取，是公路勘测的一项极为重要的工作，其重点是用于路基的设计以及土石方数量的计算。日前主流的办法是利用全站仪或实时差分定位技术(rael-time kinematic, RTK)先放样出中桩，而后再利用RTK测出每一个横断面的高程。然而，这种方式采用单点接触测绘，引起其作业速度较慢，同期因为勘测区域内天气、交通以及地形困难程度等自然要求的限制，容易导致测绘成果精度不高，工期难以保准，勘测成本加大的不良后果。
然则，随着测绘新技术的持续更新和发展，激光雷达（light detection and ranging,LiDAR）技术已然在公路勘察行业展开了相当广泛和成熟的应用。该技术重点是由于激光测距、全世界定位系统和惯性导航系统三个技术构成，是一种能够用于精确、快速地获取地面及地物三维空间信息的主动式雷达探测技术。该技术能够穿透植被，有效克服自然环境等原因的影响，可快速采集大面积、高密度以及高精度的空间三维数据，非常有利于高精度地面线的快速提取。
日前，机载LiDAR技术在地面线提取中都是先利用地面的激光点云数据生成数字高程模型，而后利用数字高程模型再生成各样地面线信息。这种办法虽然达到了快速、有效获取地面线的需求，然则激光点云数据在生成数字高程模型的过程损失了原始的激光点云信息，况且经过两次内插计算，就进一步降低了地面线成果的精度，尤其是在高速公路改扩建工程中，对高速公路两侧边沟等构造物位置处地面线的精度影响很强，且未能清晰表达微地貌变化。针对以上问题，本文提出了一种新的设计地面线生成技术流程，同期基于LiDAR数据设计与实现了设计地面线自动提取原型软件，并开展了应用示范。
1 技术流程
在高速公路建设工程中采用LiDAR数据进行地面线提取，其重点的技术流程如图1所示。① 将归类后的海量高密度LiDAR数据进行有效组织和管理；② 经过中桩的位置信息来计算地面线平面位置并提取地面线周边的LiDAR点云数据；③按照提取的点云中地面点数据构建内插模型，生成地面线上点的高程，输出地面线数据；最后，结合数字正射影像（digital orthophoto map,DOM）数据，在可视化平台中对地面线进行检核和修正。
1.1 点云管理
LiDAR数据的处理始终被点云数据的海量、繁杂、高密度、无规律等特点所困惑，即使经过滤波和归类处理后的公路设计线位沿线的点云数据，亦仍然会因为海量的数据特点，没法直接应用到此刻的设计软件中。点云数据组织管理办法的优劣对全部数据后处理的效率起着至关重要的功效，针对公路工程应用的特点，本文采用基于路线方法索引的点云动态管理办法。首要经过路线设计软件得到路线方法，路线方法经过一系列的中桩坐标点进行表达。按照中桩坐标生成各个线路的中线，沿着路线的前进方向按必定间隔生成垂直于路线的矩形格网。当用户进行空间查找时，除了能够按照点的坐标和范围进行查找，亦能够经过桩号进行查找，为后续工作中激光点云数据的快速提取供给基本。
1.2 备选点提取
因为LiDAR点云数据拥有密度大、精度高等特点，地面线形态可直接由地面线周边的地面点进行表达，点云提取在归类后点云的基本上，按照供给的中桩坐标文件生成地面线的剖线，设置阈值T1，提取到横断面剖线平面距离少于T1的归类后激光点，并做为生成地面线的备选点。
1.3 地面线生成
地面线生成重点按照备选点云数据中的地面类点进行数据建模和高程内插，如图4所示，其算法流程重点是：①将提取出到横断面剖线平面距离少于T1范围内的激光点在平面上向地面线剖面线作垂线，按照垂线距离的体积设定阈值T2(T2<T1)，将到剖面线距离在T2范围内的点，以垂足点的平面位置和激光点的高程做为地面线上的点，并生成初始地面线；②对初始地面线上的点按找地面线方向排序并进行扫描，若是发掘空洞很强区域，由到剖面线距离在[T2,T1]内的地面点投影到地面线剖面线上进行填充，其高程则由周边提取出的地面点建模内插，常用的三维数字地面模型有不规则三角网模型(TIN)和格网模型(DEM)，因为不规则三角网拥有保持地形特征的优点，采用TIN模型分别对各个地面线周边的地面点进行地形建模，按照三角网插值法进行点高程的内插，最后输出设计地面线。
1.4 检测和编辑
将简化后的地面线在可视化图形环境中进行绘制，经过叠加LiDAR点云和DOM数据，对生成的地面线进行可视化检测和编辑，最后生成地面线数据。
2 系统设计
设计地面线自动提取系统的设计目的是经过充分利用LiDAR点云数据高精度、高密度的特点，实现快速的自动提取地面线，并可在可视化环境对地面线数据进行快速检测和自由编辑。根据系统设计的目的，将系统分为数据层、服务层和用户层。
数据层重点是包含机载LiDAR系统采集获取的LiDAR点云数据和DOM数据，以及设计所需要的中桩信息等数据；服务层重点在可视化的图形平台上，为用户供给点云归类处理、点云提取处理、地面线生成和简化等服务；用户层重点是经过数据交互和参数设置等调用服务层的各项功能和服务来处理数据层中的数据，并在视图窗口中直观表示。
3 系统实现
MicroStation做为土木工程、建筑、交通运输等行业的基本平台，为用户供给了多种二次研发手段。本文的系统选取VirsualC++6.0语言对Microstation进行二次研发，结合Microstation MDL实现与Microstation系统的通信以及关联的功能，同期结合TerraSolid对点云数据的管理和处理，给地面线自动提取处理的性能带来很强的提高。该系统可对任意中桩任意方向的地面线进行采集，在参数设置中按照实质设计的需要，设置地面线采集的范围和宽度，并按照生成的地面剖面线对归类后的点云数据进行提取，得到备选点数据。
按照提取出的备选点数据，该系统可进一步快速自动生成地面线数据，其输出的地面线成果重点是文本格式暗示，利用MicroStation平台的数据接口，该系统亦可将地面线数据与LiDAR点云数据和DOM数据直接进行叠加表示，从而经过点云和DOM影像对生成的地面线数据作进一步的检测和编辑工作，从而生成更准确更符合真实地表的地面线数据。
4 工程应用
该办法和系统已广泛应用于河北、贵州、江西、广西和西藏等多个高速公路建设工程中，以广西柳州至南宁高速公路改扩建工程为例，在植被覆盖尤其严重的10 km路段分别利用该软件和数模内插生成两组地面线，并进行野外实测检验，将两组断面与野外实测断面进行对比，该软件生成的设计地面线信息精度得到显著加强，生成断面合格率亦高达99.6%，完全满足公路改扩建勘测设计详测与施工图设计的需求。
经过对比分析，可得知本文中自动提取设计地面线数据的办法拥有以下特点：
1) 精度高。在构造物比较多的地区，该系统生成的地面线相比较数模内插的办法而言，更准确的反映了微地貌真实的地表信息。
2) 效率高。该办法生成断面地面线的办法可替代人工实测，该文办法生成23 550个断面并检测仅需1～2 h，而野外实测一人一天仅可测得40个断面，效率得到大大地加强。
3) 在困难繁杂地区，利用传统办法在花费海量人力、物力的状况下仍没法准确的采集公路设计所需的地表信息，而本办法基于高精度LiDAR数据能够克服植被茂密的影响，准确获取满足高速公路改扩建详测与施工图设计需求的地表信息。
5 结束语
机载激光雷达技术以其高精度、有效率的特点，并结合和其对环境的低敏锐度，在公路建设行业中得到广泛应用，必将对勘测设计行业产生深远的影响。本文提出了基于高精度LiDAR数据自动生成设计地面线的新办法，结合Microstation图形平台二次研发技术，设计并实现了道路地面线自动提取的系统工具，利用该软件能够进行地面线的快速自动提取，大大加强了公路勘测设计效率、节省了外业测绘成本，同期其成果亦达到了高速公路改扩建定测与施工图设计的精度需求。
2016年（第41卷）第11期
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发表于 2024-10-10 15:03:30