CN100501773C - 基于三维机载lidar的公路测设方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维机载LIDAR的公路测设方法，其步骤为：首先是采用地表数据采集***，以飞机为平台，在测区布设GPS基站，按公路路线方案设计技术参数；其次是对海量高密度DEM数据建库，通过范围索引文件进行高密度DEM数据库的动态分块管理，满足设计过程中所需数据的快速调度；第三是基于高密度DEM及高分辨率DOM生成三维DLG；第四是生成满足公路定测与施工图设计要求的地表断面数据；第五是机载LIDAR与公路CAD协同，实现三维可视化、动态设计，自动生成各种施工图设计图表。本发明方法简单，操作方便，创新性地基于机载LIDAR生成的数据直接进行公路定测与施工图设计，省去了外业工作流程，缩短了测设周期，大幅提高了测设效率。

Description

基于三维机载LIDAR的公路测设方法

技术领域

本发明涉及一种公路测设技术领域，更具体涉及一种基于三维机载LIDAR的公路测设方法，它适应地表困难复杂地区的基于机载LIDAR技术的公路测设方法。

背景技术

当前，公路测设的主要手段与方法是基于航空摄影测量的测设模式，即通过低空航空摄影获取地面立体影像，冲洗相片底片并扫描(或以CCD相机直接得到数码相片)，结合人工布设野外地面公路基础控制网及摄影测量相片控制点，通过摄影测量工作站处理，并经大量人工内业生产，获得DEM、DLG、DOM等产品，在此基础上进行公路CAD辅助设计。详测及施工图设计阶段大量的断面测量工作仍需人工野外作业完成。

在地表困难复杂地区，由于植被茂盛及地形、地貌因素和阴影影响，加上季节、天气因素的限制，基于航空摄影测量的公路测设模式测设周期长、野外工作量大，难以满足公路建设任务重的需求。因此，迫切需要一种能克服自然条件影响、数据采集精度高、施测和处理周期短的新技术方法来进行公路勘察设计，特别是公路建设中详测及施工图设计。

发明内容

本发明的目的是针对目前地表困难复杂地区基于航空摄影测量的公路测设模式测设周期长、外业工作量大等局限的问题，提出了一种基于三维机载LIDAR的公路测设方法，方法简单，操作方便，直接利用LIDAR数据就能满***通工程建设详测、施工图设计的要求，极大地提高了勘察设计效率，缩短了测设周期，具有显著经济和社会效益。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术措施：

本发明采用机载LIDAR飞行任务设计及数据采集、高密度数字高程模型DEM(以下简称高密度DEM)建模及动态管理、三维DLG生成、高程内插和断面线自动生成、公路CAD协同设计五个部分实现。它包括如下步骤：

(1)采用激光测距仪(以下简称LIDAR)，全球定位***GPS、惯性测量单元IMU、CCD相机组成的地表数据采集***，以飞机为平台，在测区每50km布设一个GPS基站，按公路路线方案设计飞行的高度、带宽、地表数据采样间隔及影像分辨率等技术参数。

(2)对海量高密度DEM数据建库，通过范围索引文件进行高密度DEM数据库的动态分块管理，满足设计过程中所需数据的快速调度。

(3)基于高密度DEM及高分辨率数字正射影像图DOM(以下简称高分辨率DOM)生成三维DLG，精度可达1：500比例尺要求。

(4)采用高密度DEM、高分辨率DOM，自动生成满足详测与施工图设计要求的单点或断面线的地表数据。

(5)机载LIDAR与公路CAD协同，基于高密度DEM、高分辨率DOM及三维DLG，在公路CAD辅助设计***中实现三维可视化、动态设计，自动生成各种施工图设计图表，完成工程方案的详细设计。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

第一，在地形地貌条件复杂、植被茂盛等困难复杂地区仅需约每50Km设置一个GPS基站，采用机载GPS、IMU、LIDAR等，无道路工程首级基础控制测量，就能直接获取满足道路施工图设计的地表数据，高程精度达到0.15m，大大降低了野外工作量及作业成本。

第二，高分辨率DOM结合高密度DEM生成等高线，辅以少量外业调绘工作，能完成1:500比例尺三维DLG的生成。

第三，不仅克服了植被、房屋、桥梁等地物以及阴影的影响，而且对季节、天气、太阳高度角等要求较传统航空摄影测量方式宽松。

第四，直接基于机载LIDAR生成的高密度DEM数据即能进行初测、详测及施工图设计工作，免去了导线控制测量、横断面测量等技术环节；相比基于航空摄影测量的公路测设模式，减少了中间流程，缩短了测设周期约1/3。

本发明为交通行业提供一种新的测设方法，创新性地基于机载LIDAR生成的数据直接进行公路定测与施工图设计，省去了外业工作流程，缩短了测设周期，大幅提高了测设效率。经实践证明，该方法处理得到的地面点坐标的平面误差在±0.3m以内，高程误差在±0.15m以内，能直接满足地表困难复杂地区公路路线定测、施工图设计等要求。(测设方法为一种勘察与设计的方法)

附图说明

图1为一种基于三维机载LIDAR的公路测设方法方框图；

图2为GPS基站布设及机载LIDAR飞行示意图；

图3为三维DLG生成流程图；

图4为机载LIDAR与公路CAD协同工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

实施例1：

以下借助附图描述本发明的实施方式，具体工作流程如图1所示，阐述如下。

第一步、机载LIDAR飞行任务设计及LIDAR数据采集1

根据设计路线起止点，进行机载LIDAR飞行任务设计及LIDAR数据采集。其执行的标准与规范有：

■1；10000、1；50000地形图1MU/DGPS辅助航空摄影技术规定(试行)，2004年12月，国家***

■GPS辅助航空摄影技术规定(试行)，2004年12月，国家***

■GB6962-86《1∶500，1∶1000，1∶2000比例尺地形图航空摄影规范》，1986年12月，国家***

■GB/T18341-2001公路全球定位***(GPS)测量规范，2001，国家质量技术监督局

■JTG C10-2007公路勘测规范，2007年7月，中华人民共和国交通部

具体实施方法如下：

1.坐标基程设计。平面坐标为1980西安坐标系或1954北京坐标系或当地坐标系。采用高斯投影，中央子午线为测区中心的经线。GPS测量采用WGS-84坐标基准。高程基准采用1985国家高程基准或其它高程基准。

2.数据精度设计。确定高密度DEM采集的格网间距(如0.5m)、高分辨率DOM像素分辨率(如0.14m)。

3.GPS基站布设设计。如图2所示，在测区布设GPS基站时，保证测区内相邻GPS基站的直线水平距离约为50km，每个GPS基站的覆盖半径约为30km。

4.根据LIDAR设备的激光束性能和大致高密度DEM采集间隔，以及CCD成像制作高分辨率DOM的像素分辨率，确定飞行高度。

5.按LIDAR设备的激光扫描偏角、设计飞行覆盖宽度与飞行方向。综合路线方案，确定覆盖的航带个数及航带的长度。LIDAR数据至少应覆盖路线方案外侧500m以上。全部范围应完整覆盖路线方案，不同摄区间、航带间不应存在漏洞。

6.CCD相机成像时，为测图需要，像片航向重叠度不低于60％，旁向重叠度不低于30％。

7.在GPS基站覆盖的50km范围内，沿工程路线方案联测至少5个同时具有WGS-84坐标***及测区基准的控制点，便于平面坐标及高程的转换。

8.利用机载LIDAR***数据处理软件(如Leica公司的Leica FPES、Leica IPASPro、IPAS PPP、IPAS Co等，芬兰Terrasolid公司的TerraModelerTM、TerraScanTM和TerraPhotoTM等)完成激光测量数据的过滤、分类及坐标***转换等处理工作，生成地面点原始数据及高密度DEM、高分辨率DOM。

第二步、高密度DEM建模及动态管理2

根据所得高密度DEM，计算测区最小外包围框，以左下角为原点，自西向东、自南向北，按照1km×1km(即当格网间距为1.0m时，块大小为1000行×1000列)对地形数据分块，同时相邻高密度DEM块在南北、东西方向互有50m重叠宽度；高密度DEM以国家标准交换格式(NSDTF)存储，建立高密度DEM数据库。

建立数据库索引，将每个高密度DEM块文件的坐标范围与文件名形成对应关系，方便文件的查找、检索。

高密度DEM调度时，先根据所需数据的地理坐标，求出调用数据的最小外包围框，根据其范围在文件索引中查找相应的高密度DEM块文件，直接通过数据块的范围(左下角和右上角的x、y坐标)为关键字，检索到相应高密度DEM文件并调用即可。

当高密度DEM数据量过大时，可以建立二级文件索引。一级索引是比较粗的范围划分，二级索引则对相应的一级索引进行再细分，提高文件的检索速度。第三步、三维DLG生成3

如图3所示，从高密度的DEM3-1，能自动生成等高线3-3及所需的高程注记点3-4，等高距可按成图需要设定。

利用VintuoZo或JX-4等摄影测量工作站，从高分辨率DOM3-2可自动提取出地形特征线、山脊线、山谷线、陡坎等地形特征3-5，以及道路、房屋、桥梁、水系等地物信息3-6，并可对电力线、植被类型等进行调绘，对于一些地名、河流名、境界，可辅以少量地面调绘。

在Auto CAD中，导入等高线及注记层数据，并增加水系、道路、房屋、地名、植被、境界等不同特征的地形和地物数据层，并进行适当编绘，即可完成基于机载LIDAR数据的三维DLG3-7制作，精度可达1：500比例尺要求。

第四步、高程内插和断面线的自动生成4

1.高程内插

基于机载LIDAR数据得到的高密度DEM数据库，根据所求点的x、y坐标和数据库索引文件，先找到该点所在的高密度DEM文件及其待求点所在的格网单元，然后用双线性内插法内插出该点高程(z值)。

2.纵断面线生成

根据线位中桩的x、y坐标，在高密度DEM数据库中经高程内插得到其z值，得到三维坐标；获得所有中桩的三维坐标后，按桩号顺序排列，即可获取一条完整的纵断面线。

3.横断面线的生成

(1)对于某个中桩的横断面线，从起点桩开始，先利用中桩的坐标与相邻的下一个中桩坐标计算横断面线的方位角(最后一个中桩的方位角与倒数第二个中桩的相同)；

(2)利用该点的方位角和中桩坐标，根据点斜式公式：

y＝kx+b

式中：

k——斜率；

b——截距；

x、y——平面坐标。

得到横断面线的直线方程，并按左右各一定长度，计算横断面直线段与高密度DEM水平和竖直格网的交点坐标，即生成横断面线所在的地面线；

(3)设定某个阈值(如5cm)，从距中桩最近的横断面点开始，对同侧横断面线上的前一个相邻横断面点(如果前面没有，则选中桩点为比较点)进行高差比较。若这两点的高差小于阈值则删除该横断面点，并将下一个横断面点设为当前横断面点。重复本步的比较工作，使断面上相邻点高差值大于阈值。

(4)最终横断面线按公路设计能接受的通用格式输出。其格式为：

中桩桩号1中桩高程1

左侧{d，H}

右侧{d，H}

……

中桩桩号n中桩高程n

左侧{d，H}

右侧{d，H}

上式中，d为断面点到中桩距离或到前点的距离；H为断面点的高程，或相对中桩点高差或相对前一点的高差。

第五步、公路CAD协同设计5

如图4所示，具体流程如下：

1.基于高密度DEM3-1、高分辨率DOM3-2和三维DLG3-7产品，可根据交点法、线元法等路线平面设计方法(已有相应的设计***)，完成公路路线平面设计5-1(布线和设计)。

2.根据高密度DEM3-1自动生成纵断面线，采用动态无序拉坡、竖曲线交互设计等纵断面设计方法(已有相应的设计***)完成纵断面设计5-2。

3.根据高密度DEM3-1自动生成的横断面线，按横断面模板、路基边沟排水设计等横断面设计方法(已有相应的设计***)完成横断面设计5-3。

4.设计模型与高密度DEM叠加5-4，平面设计5-1、纵断面设计5-2、横断面设计5-3完成后，生成路基设计模型，并与地面高密度DEM叠加或融合，形成路基与地面模型拼接的整体模型。

5.工程数量计算5-5，基于路基及地形模型，通过对机载LIDAR数据的调用，按设计模型与地面模型及其相互关系，计算路基断面的面积、断面间填方、挖方体积等工程数量。

6.变更方案5-6，对路线方案，结合高密度DEM3-1、高分辨率DOM3-2，按地形地貌选线、自然景观选线、安全选线、地质选线等原则进行路线可视化的三维动态分析与评估，以及对工程数量进行比较，判断是否需要变更设计，如果需要变更，返回第五步流程1，执行流程1至流程5，重新进行路线的设计。

7.设计图表输出5-7，对设计最终成果进行设计图表的输出。

Claims (1)

1、一种基于三维机载LIDAR的公路测设方法，它包括下列步骤：

A、机载LIDAR飞行任务设计及LIDAR数据采集(1)：

a、坐标基准设计，平面坐标为1980西安坐标系或1954北京坐标系，采用高斯投影，中央子午线为测区中心的经线，GPS测量采用WGS-84坐标基准，高程基准采用国家高程基准；

b、数据设计，确定高密度DEM(3-1)采集的格网间距、高分辨率DOM(3-2)像素分辨率；

c、GPS基站布设设计，在测区布设GPS基站时，测区内相邻GPS基站的直线水平距离为50km，每个GPS基站的覆盖半径为30km；

d、根据LIDAR设备的激光束性能和高密度DEM(3-1)采集间隔，及CCD成像制作高分辨率DOM(3-2)的像素分辨率，确定飞行高度；

e、按LIDAR设备的激光扫描偏角、设计飞行覆盖宽度与飞行方向，综合路线方案，确定覆盖的航带个数及航带的长度，LIDAR数据应覆盖路线方案外侧至少500m；

f、CCD相机成像时，为测图需要，像片航向重叠度不低于60％，旁向重叠度不低于30％；

g、在GPS基站覆盖的50km范围内，沿工程路线方案联测至少5个同时有WGS-84坐标***及测区基准的控制点，用于平面坐标及高程的转换；

h、利用机载LIDAR***数据处理软件完成激光测量数据的过滤、分类及坐标***转换，生成地面点原始数据及高密度DEM、高分辨率DOM；

B、高密度DEM建模及动态管理(2)，根据所得高密度DEM，计算测区最小外包围框，以左下角为原点，自西向东、自南向北，按照1km×1km对地形数据分块，同时相邻高密度DEM块在南北、东西方向互有50m重叠宽度；高密度DEM以国家标准交换格式存储，建立高密度DEM数据库；

C、三维DLG生成(3)，从高密度DEM(3-1)，能自动生成等高线(3-3)及所需的高程注记点(3-4)，等高距按成图需要设定；

利用VintuoZo或JX-4摄影测量工作站，从高分辨率DOM(3-2)自动提取出地形特征线、山脊线、山谷线、陡坎地形特征(3-5)，及道路、房屋、桥梁、水系地物信息(3-6)，对电力线、植被类型进行调绘，对于地名、河流名、境界，地面调绘；

D、高程内插和断面线的生成(4)：

a、高程内插，基于机载LIDAR数据得到的高密度DEM数据库，根据所求点的x、y坐标和数据库索引文件，先找到该点所在的高密度DEM文件及其待求点所在的格网单元，然后用双线性内插法内插出该点高程；

b、纵断面线生成，根据线位中桩的x、y坐标，在高密度DEM数据库中经高程内插得到其z值，成为三维坐标；获得所有中桩的三维坐标后，按桩号顺序排列，获取一条完整的纵断面线；

c、横断面线的生成，首先对于中桩的横断面线，从起点桩开始，先利用中桩的坐标与相邻的下一个中桩坐标计算横断面线的方位角；其次是利用方位角和中桩坐标，根据点斜式公式得到横断面线所在直线方程，并按左右各一定长度，计算横断面直线段与高密度DEM水平和竖直格网的交点坐标，即生成横断面线所在的地面线；第三是设定阈值，从距中桩最近的横断面点开始，对同侧横断面线上的前一个相邻横断面点进行高差比较，两点的高差小于阈值则删除该横断面点，并将下一个横断面点设为当前横断面点，重复本步骤，使断面上相邻点高差值大于阈值；第四是最终横断面线按公路设计接受的通用格式输出；

E、公路CAD协同设计(5)：

a、基于高密度DEM(3-1)、高分辨率DOM(3-2)和三维DLG(3)，根据交点法、线元法，完成公路路线平面设计(5-1)；

b、根据高密度DEM(3-1)自动生成纵断面线，采用动态无序拉坡、竖曲线交互设计纵断面设计方法完成纵断面设计(5-2)；

c、根据高密度DEM(3-1)自动生成的横断面线，按横断面模板、路基边沟排水设计完成横断面设计(5-3)；

d、设计模型与高密度DEM叠加(5-4)，平面设计(5-1)、纵断面设计(5-2)、横断面设计(5-3)完成后，生成路基设计模型，并与地面高密度DEM叠加或融合，形成路基与地面模型拼接的整体模型；

e、工程数量计算(5-5)，基于路基、地形模型，通过对机载LIDAR数据的调用，完成路线设计中所需的工程数量计算；

f、变更方案(5-6)，对路线方案，结合高密度DEM、高分辨率DOM，按地形地貌选线、自然景观选线、安全选线、地质选线进行可视化的三维动态分析与评估，以及对工程数量进行比较，判断是否需要变更设计，如果需要变更，返回步骤E-a，执行步骤E-a至步骤E-e，重新进行路线的设计；

g、设计图表输出(5-7)，对设计最终成果进行设计图表的输出。

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