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激光雷达数据的地面线自动生成方法

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发表于 2017-10-19 15:37:56 | 显示全部楼层 |阅读模式
在公路勘察设计阶段,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,其主要是用于路基的设计以及土石方数量的计算。目前主流的方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,然后再利用RTK测出每个横断面的高程。然而,这种方式采用单点接触测量,导致其作业速度较慢,同时由于勘测区域内天气、交通以及地形困难程度等自然条件的限制,容易造成测绘成果精度不高,工期难以保证,勘测成本加大的不良后果。
但是,随着测绘新技术的不断更新和发展,激光雷达(light detection and ranging,LiDAR)技术已经在公路勘察领域展开了相当广泛和成熟的应用。该技术主要是由激光测距、全球定位系统和惯性导航系统三个技术组成,是一种可以用于精确、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因素的影响,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。
目前,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,然后利用数字高程模型再生成各种地面线信息。这种方法虽然达到了快速、高效获取地面线的要求,但是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,而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较大,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,同时基于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,其主要的技术流程如图1所示。① 将分类后的海量高密度LiDAR数据进行高效组织和管理;② 通过中桩的位置信息来计算地面线平面位置并提取地面线附近的LiDAR点云数据;③根据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。
激光雷达数据的地面线自动生成方法

1.1 点云管理
LiDAR数据的处理始终被点云数据的海量、复杂、高密度、无规律等特点所困扰,即使经过滤波和分类处理后的公路设计线位沿线的点云数据,也仍然会由于海量的数据特点,无法直接应用到现在的设计软件中。点云数据组织管理方法的优劣对整个数据后处理的效率起着至关重要的作用,针对公路工程应用的特点,本文采用基于路线方案索引的点云动态管理方法。首先通过路线设计软件获得路线方案,路线方案通过一系列的中桩坐标点进行表达。根据中桩坐标生成各个线路的中线,沿着路线的前进方向按一定间隔生成垂直于路线的矩形格网。当用户进行空间查询时,除了可以根据点的坐标和范围进行查询,也可以通过桩号进行查询,为后续工作中激光点云数据的快速提取提供基础。
1.2 备选点提取
由于LiDAR点云数据具有密度大、精度高等特点,地面线形态可直接由地面线周围的地面点进行表达,点云提取在分类后点云的基础上,根据提供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小于T1的分类后激光点,并作为生成地面线的备选点。
1.3 地面线生成
地面线生成主要根据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,其算法流程主要是:①将提取出到横断面剖线平面距离小于T1范围内的激光点在平面上向地面线剖面线作垂线,根据垂线距离的大小设定阈值T2(T2
1.4 检查和编辑
将简化后的地面线在可视化图形环境中进行绘制,通过叠加LiDAR点云和DOM数据,对生成的地面线进行可视化检查和编辑,最终生成地面线数据。
2 系统设计
设计地面线自动提取系统的设计目标是通过充分利用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查和自由编辑。按照系统设计的目标,将系统分为数据层、服务层和用户层。
数据层主要是包括机载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;服务层主要在可视化的图形平台上,为用户提供点云分类处理、点云提取处理、地面线生成和简化等服务;用户层主要是通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显示。
3 系统实现
MicroStation作为土木工程、建筑、交通运输等领域的基础平台,为用户提供了多种二次开发手段。本文的系统选择VirsualC++6.0语言对Microstation进行二次开发,结合Microstation MDL实现与Microstation系统的通信以及相关的功能,同时结合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较大的提升。该系统可对任意中桩任意方向的地面线进行采集,在参数设置中根据实际设计的需求,设置地面线采集的范围和宽度,并根据生成的地面剖面线对分类后的点云数据进行提取,得到备选点数据。
根据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主要是文本格式表示,利用MicroStation平台的数据接口,该系统也可将地面线数据与LiDAR点云数据和DOM数据直接进行叠加显示,进而通过点云和DOM影像对生成的地面线数据作进一步的检查和编辑工作,进而生成更准确更符合真实地表的地面线数据。
4 工程应用
该方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,在植被覆盖特别严重的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明显提高,生成断面合格率也高达99.6%,完全满足公路改扩建勘测设计详测与施工图设计的要求。
通过对比分析,可得知本文中自动提取设计地面线数据的方法具有以下特点:
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方法而言,更准确的反映了微地貌真实的地表信息。
2) 效率高。该方法生成断面地面线的方法可替代人工实测,该文方法生成23 550个断面并检查仅需1~2 h,而野外实测一人一天仅可测得40个断面,效率得到大大地提高。
3) 在困难复杂地区,利用传统方法在花费大量人力、物力的情况下仍无法准确的采集公路设计所需的地表信息,而本方法基于高精度LiDAR数据可以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要求的地表信息。
5 结束语
机载激光雷达技术以其高精度、高效率的特点,并结合和其对环境的低敏感度,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方法,结合Microstation图形平台二次开发技术,设计并实现了道路地面线自动提取的系统工具,利用该软件可以进行地面线的快速自动提取,大大提高了公路勘测设计效率、节省了外业测量成本,同时其成果也达到了高速公路改扩建定测与施工图设计的精度要求。

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