基于三維機載lidar的公路測設(shè)方法

專利名稱：基于三維機載lidar的公路測設(shè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種公路測設(shè)技術(shù)領(lǐng)域，更具體涉及一種基于三維機載LIDAR的公路 測設(shè)方法，它適應(yīng)地表困難復(fù)雜地區(qū)的基于機載LIDAR技術(shù)的公路測設(shè)方法。
背景技術(shù)：
當前，公路測設(shè)的主要手段與方法是基于航空攝影測量的測設(shè)模式，即通過低空航 空攝影獲取地面立體影像，沖洗相片底片并掃描(或以CCD相機直接得到數(shù)碼相片)， 結(jié)合人工布設(shè)野外地面公路基礎(chǔ)控制網(wǎng)及攝影測量相片控制點，通過攝影測量工作站處 理，并經(jīng)大量人工內(nèi)業(yè)生產(chǎn)，獲得DEM、 DLG、 DOM等產(chǎn)品，在此基礎(chǔ)上進行公路 CAD輔助設(shè)計。詳測及施工圖設(shè)計階段大量的斷面測量工作仍需人工野外作業(yè)完成。在地表困難復(fù)雜地區(qū)，由于植被茂盛及地形、地貌因素和陰影影響，加上季節(jié)、天 氣因素的限制，基于航空攝影測量的公路測設(shè)模式測設(shè)周期長、野外工作量大，難以滿 足公路建設(shè)任務(wù)重的需求。因此，迫切需要一種能克服自然條件影響、數(shù)據(jù)采集精度高、 施測和處理周期短的新技術(shù)方法來進行公路勘察設(shè)計，特別是公路建設(shè)中詳測及施工圖 設(shè)計。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對目前地表困難復(fù)雜地區(qū)基于航空攝影測量的公路測設(shè)模式測 設(shè)周期長、外業(yè)工作量大等局限的問題，提出了一種基于三維機載LIDAR的公路測設(shè) 方法，方法簡單，操作方便，直接利用LIDAR數(shù)據(jù)就能滿足交通工程建設(shè)詳測、施工 圖設(shè)計的要求，極大地提高了勘察設(shè)計效率，縮短了測設(shè)周期，具有顯著經(jīng)濟和社會效為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)措施
本發(fā)明采用機載LIDAR飛行任務(wù)設(shè)計及數(shù)據(jù)采集、高密度數(shù)字地面模型DEM (以 下簡稱高密度DEM)建模及動態(tài)管理、三維DLG生成、高程內(nèi)插和斷面線自動生成、 公路CAD協(xié)同設(shè)計五個部分實現(xiàn)。它包括如下步驟(1 )采用激光測距儀(以下簡稱LIDAR)，全球定位系統(tǒng)GPS、慣性測量單元IMU、 CCD相機組成的地表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以飛機為平臺，在測區(qū)每50km布設(shè)一個GPS基 站，按公路路線方案設(shè)計飛行的高度、帶寬、地表數(shù)據(jù)采樣間隔及影像分辨率等技術(shù)參數(shù)。(2) 對海量高密度DEM數(shù)據(jù)建庫，通過范圍索引文件進行數(shù)據(jù)庫的動態(tài)分塊管 理，滿足設(shè)計過程中所需數(shù)據(jù)的快速調(diào)度。(3) 基于高密度DEM及高分辨率正射影像DOM (以下簡稱高分辨率DOM)生 成三維DLG，精度可達1: 500比例尺要求。(4) 采用高密度DEM、高分辨率DOM，自動生成滿足詳測與施工圖設(shè)計要求的 單點或斷面線的地表數(shù)據(jù)。(5) 機載LIDAR與公路CAD協(xié)同，基于高密度DEM、高分辨率DOM及三維 DLG，在公路CAD輔助設(shè)計系統(tǒng)中實現(xiàn)三維可視化、動態(tài)設(shè)計，自動生成各種施工圖 設(shè)計圖表，完成工程方案的詳細設(shè)計。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點和效果第一，在地形地貌條件復(fù)雜、植被茂盛等困難復(fù)雜地區(qū)僅需約每50Km設(shè)置一個 GPS基站，采用機載GPS、 IMU、 LIDAR等，無道路工程首級基礎(chǔ)控制測量，就能直 接獲取滿足道路施工圖設(shè)計的地表數(shù)據(jù)，高程精度達到0.15m，大大降低了野外工作量 及作業(yè)成本。第二，高分辨率DOM結(jié)合高密度DEM生成等高線，輔以少量外業(yè)調(diào)繪工作，能完 成1:500比例尺三維DLG的生成。第三，不僅克服了植被、房屋、橋梁等地物以及陰影的影響，而且對季節(jié)、天氣、 太陽高度角等要求較傳統(tǒng)航空攝影測量方式寬松。第四，直接基于機載LIDAR生成的高密度DEM數(shù)據(jù)即能進行初測、詳測及施工圖 設(shè)計工作，免去了導(dǎo)線控制測量、橫斷面測量等技術(shù)環(huán)節(jié)；相比基于航空攝影測量的公 路測設(shè)模式，減少了中間流程，縮短了測設(shè)周期約1/3。
本發(fā)明為交通行業(yè)提供一種新的測設(shè)方法，創(chuàng)新性地基于機載LIDAR生成的數(shù)據(jù)直 接進行公路定測與施工圖設(shè)計，省去了外業(yè)工作流程，縮短了測設(shè)周期，大幅提高了測 設(shè)效率。經(jīng)實踐證明，該方法處理得到的地面點坐標的平面誤差在士0.3m以內(nèi)，高程誤 差在土0.15m以內(nèi)，能直接滿足地表困難復(fù)雜地區(qū)公路路線定測、施工圖設(shè)計等要求。(測 設(shè)方法為一種勘察與設(shè)計的方法)


圖1為一種基于三維機載LIDAR的公路測設(shè)方法方框圖； 圖2為GPS基站布設(shè)及機載LIDAR飛行示意圖； 圖3為三維DLG生成流程圖； 圖4為機載LIDAR與公路CAD協(xié)同工作流程圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述 實施例1:以下借助附圖描述本發(fā)明的實施方式，具體工作流程如圖1所示，闡述如下。第一步、機載LIDAR飛行任務(wù)設(shè)計及LIDAR數(shù)據(jù)采集1根據(jù)設(shè)計路線起止點，進行機載LIDAR飛行任務(wù)設(shè)計及LIDAR數(shù)據(jù)采集。其執(zhí)行 的標準與規(guī)范有-■ 1: 10000、 1; 50000地形圖IMU/DGPS輔助航空攝影技術(shù)規(guī)定(試行)， 2004年12月，國家測繪局■ GPS輔助航空攝影技術(shù)規(guī)定(試行)，2004年12月，國家測繪局■ GB 6962-86《1 : 500， 1 : 1000， 1 : 2000比例尺地形圖航空攝影規(guī)范》， 1986年12月，國家測繪局■ GBAH8341-2001公路全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范，2001，國家質(zhì)量 技術(shù)監(jiān)督局■ JTG C10-2007公路勘測規(guī)范，2007年7月，中華人民共和國交通部 具體實施方法如下-1.坐標基程設(shè)計。平面坐標為1980西安坐標系或1954北京坐標系或當?shù)刈鴺讼怠?br> 采用高斯投影，中央子午線為測區(qū)中心的經(jīng)線。GPS測量采用WGS-84坐標 基準。高程基準采用1985國家高程基準或其它高程基準。2. 數(shù)據(jù)精度設(shè)計。確定高密度DEM采集的格網(wǎng)間距(如0.5m)、高分辨率DOM 像素分辨率(如0.14m)。3. GPS基站布設(shè)設(shè)計。如圖2所示，在測區(qū)布設(shè)GPS基站時，保證測區(qū)內(nèi)相鄰 GPS基站的直線水平距離約為50km，每個GPS基站的覆蓋半徑約為30km。4. 根據(jù)LIDAR設(shè)備的激光束性能和大致DEM采集間隔，以及CCD成像制作DOM的像素分辨率，確定飛行高度。5. 按LIDAR設(shè)備的激光掃描偏角、設(shè)計飛行覆蓋寬度與飛行方向。綜合路線方案，確定覆蓋的航帶個數(shù)及航帶的長度。LIDAR數(shù)據(jù)至少應(yīng)覆蓋路線方案外側(cè) 500m以上。全部范圍應(yīng)完整覆蓋路線方案，不同攝區(qū)間、航帶間不應(yīng)存在漏 洞。6. CCD相機成像時，為測圖需要，像片航向重疊度不低于60%，旁向重疊度不 低于30%。7. 在GPS基站覆蓋的50km范圍內(nèi)，沿工程路線方案聯(lián)測至少5個同時具有 WGS-84坐標系統(tǒng)及測區(qū)基準的控制點，便于平面坐標及高程的轉(zhuǎn)換。8. 利用機載LIDAR系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件(如Leica公司的Leica FPES、 Leica IPAS Pro、 IPAS PPP、 IPAS Co等，芬蘭Terrasolid公司的TerraModelerTM、 TerraScanTM和TerraPhotoTM等)完成激光測量數(shù)據(jù)的過濾、分類及坐標系 統(tǒng)轉(zhuǎn)換等處理工作，生成地面點原始數(shù)據(jù)及數(shù)字地面模型(DEM)、正射影像(DOM)。第二步、DEM建模及動態(tài)管理2根據(jù)所得DEM，計算測區(qū)最小外包圍框，以左下角為原點，自西向東、自南 向北，按照1kmx化m (即當DEM格網(wǎng)間距為1.0m時，塊大小為1000行x1000 列)對地形數(shù)據(jù)分塊，同時相鄰DEM塊在南北、東西方向互有50m重疊寬度；每 塊DEM以國家標準交換格式(NSDTF)存儲，建立DEM文件數(shù)據(jù)庫。建立數(shù)據(jù)庫索引，將每個DEM塊文件的坐標范圍與文件名形成對應(yīng)關(guān)系，方 便文件的查找、檢索。DEM調(diào)度時，先根據(jù)所需數(shù)據(jù)的地理坐標，求出調(diào)用數(shù)據(jù)的最小外包圍框，根
據(jù)其范圍在文件索引中査找相應(yīng)的DEM塊文件，直接通過數(shù)據(jù)塊的范圍(左下角 和右上角的x、 y坐標)為關(guān)鍵字，檢索到相應(yīng)DEM文件并調(diào)用即可。當DEM數(shù)據(jù)量過大時，可以建立二級文件索引。 一級索引是比較粗的范圍劃 分，二級索引則對相應(yīng)的一級索引進行再細分，提高文件的檢索速度。第三歩、三維DLG生成3如圖3所示，從高密度的DEM3-1，能自動生成等高線3-3及所需的高程注記 點3-4，等高距可按成圖需要設(shè)定。利用VintuoZo或JX-4等攝影測量工作站，從高分辨率DOM3-2可自動提取 出地形特征線、山脊線、山谷線、陡坎等地形特征3-5，以及道路、房屋、橋梁、 水系等地物信息3-6，并可對電力線、植被類型等進行調(diào)繪，對于一些地名、河流 名、境界，可輔以少量地面調(diào)繪。在AutoCAD中，導(dǎo)入等高線及注記層數(shù)據(jù)，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數(shù)據(jù)層，并進行適當編繪，即可完成基于機載 LIDAR數(shù)據(jù)的三維DLG3-7制作，精度可達1: 500比例尺要求。第四歩、高程內(nèi)插和斷面線的自動生成41. 高程內(nèi)插基于機載LIDAR數(shù)據(jù)得到的DEM數(shù)據(jù)庫，根據(jù)所求點的x、 y坐標和數(shù)據(jù)庫 索引文件，先找到該點所在的DEM文件及其待求點所在的格網(wǎng)單元，然后用雙線 性內(nèi)插法內(nèi)插出該點高程(z值)。2. 縱斷面線生成根據(jù)線位中樁的x、 y坐標，在數(shù)據(jù)庫中經(jīng)高程內(nèi)插得到其z值，得到三維坐 標；獲得所有中樁的三維坐標后，按樁號順序排列，即可獲取一條完整的縱斷面線。3. 橫斷面線的生成(1) 對于某個中樁的橫斷面線，從起點樁開始，先利用其與相鄰的下一個中 樁坐標計算該橫斷面中樁點的方位角(最后一個中樁的方位角與倒數(shù)第二個中樁 的相同)；(2) 利用該點的方位角和中樁坐標，根據(jù)點斜式公式-y=kx+b式中
k——斜率；b"^截距；x、 y-平面坐標。得到橫斷面線的直線方程，并按左右各一定長度，計算橫斷面直線段與DEM 水平和豎直格網(wǎng)的交點坐標，即生成橫斷面線所在的地面線；(3) 設(shè)定某個閾值(如5cm)，從距中樁最近的橫斷面點開始，對同側(cè)橫斷面 線上的前一個相鄰點(如果前面沒有，則選中樁點為比較點)進行高差比較。若 這兩點的高差小于閾值則刪除該點，并將下一個點設(shè)為當前點。重復(fù)本步的比較 工作，使斷面上相鄰點高差值大于閾值。(4) 最終橫斷面線按公路設(shè)計能接受的通用格式輸出。其格式為中樁樁號1中樁高程1 左側(cè)(d, H} 右側(cè)(d， H}中樁樁號n中樁高程n 左側(cè)(d， H} 右側(cè)(d， H}上式中，d為斷面點到中樁距離或到前點的距離；H為斷面點的高程，或相對中樁點高差或相對前一點的高差。第五步、公路CAD協(xié)同設(shè)計5如圖4所示，具體流程如下1. 基于高密度DEM3-1、高分辨率DOM3-2和三維DLG3-7產(chǎn)品，可根據(jù)交點 法、線元法等路線平面設(shè)計方法(已有相應(yīng)的設(shè)計系統(tǒng))，完成公路路線平 面設(shè)計5-1 (布線和設(shè)計)。2. 根據(jù)高密度DEM3-1自動生成縱斷面線，采用動態(tài)無序拉坡、豎曲線交互設(shè) 計等縱斷面設(shè)計方法(己有相應(yīng)的設(shè)計系統(tǒng))完成縱斷面設(shè)計5-2。3. 根據(jù)高密度DEM3-1自動生成的橫斷面線，按橫斷面模板、路基邊溝排水設(shè) 計等橫斷面設(shè)計方法(已有相應(yīng)的設(shè)計系統(tǒng))完成橫斷面設(shè)計5-3。4. 設(shè)計模型與DEM疊加5-4，平面設(shè)計5-1 、縱斷面設(shè)計5-2、橫斷面設(shè)計5-3
完成后，生成路基設(shè)計模型，并與地面DEM疊加或融合，形成路基與地面 模型的無縫拼接，即一個整體模型。5. 工程數(shù)量計算5-5，基于路基及地形模型，通過對機載LIDAR數(shù)據(jù)的調(diào)用， 按設(shè)計模型與地面模型及其相互關(guān)系，計算路基斷面的面積、斷面間填方、 挖方體積等工程數(shù)量。6. 變更方案5-6，對路線方案，結(jié)合高密度DEM3-1、高分辨率DOM3-2,按 地形地貌選線、自然景觀選線、安全選線、地質(zhì)選線等原則進行路線可視化 的三維動態(tài)分析與評估，以及對工程數(shù)量進行比較，判斷是否需變更設(shè)計。 如變更，返回本步驟的第1個流程，重新進行路線的設(shè)計。7. 設(shè)計圖表輸出5-7，對設(shè)計最終成果進行設(shè)計圖、表的輸出。
權(quán)利要求
1、一種基于三維機載LIDAR的公路測設(shè)方法，它包括下列步驟A、機載LIDAR飛行任務(wù)設(shè)計及LIDAR數(shù)據(jù)采集(1)a、坐標基準設(shè)計，平面坐標為1980西安坐標系或1954北京坐標系，采用高斯投影，中央子午線為測區(qū)中心的經(jīng)線，GPS測量采用WGS-84坐標基準，高程基準采用國家高程基準；b、數(shù)據(jù)設(shè)計，確定高密度DEM(3-1)采集的格網(wǎng)間距、高分辨率DOM(3-2)像素分辨率；c、GPS基站布設(shè)設(shè)計，在測區(qū)布設(shè)GPS基站時，測區(qū)內(nèi)相鄰GPS基站的直線水平距離為50km，每個GPS基站的覆蓋半徑為30km；d、根據(jù)LIDAR設(shè)備的激光束性能和高密度DEM(3-1)采集間隔，及CCD成像制作高分辨率DOM(3-2)的像素分辨率，確定飛行高度；e、按LIDAR設(shè)備的激光掃描偏角、設(shè)計飛行覆蓋寬度與飛行方向，綜合路線方案，確定覆蓋的航帶個數(shù)及航帶的長度，LIDAR數(shù)據(jù)應(yīng)覆蓋路線方案外側(cè)至少500m；f、CCD相機成像時，為測圖需要，像片航向重疊度不低于60％，旁向重疊度不低于30％；g、在GPS基站覆蓋的50km范圍內(nèi)，沿工程路線方案聯(lián)測至少5個同時有WGS-84坐標系統(tǒng)及測區(qū)基準的控制點，用于平面坐標及高程的轉(zhuǎn)換；h、利用機載LIDAR系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件完成激光測量數(shù)據(jù)的過濾、分類及坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，生成地面點原始數(shù)據(jù)及數(shù)字地面模型、正射影像；B、DEM建模及動態(tài)管理(2)，根據(jù)所得DEM，計算測區(qū)最小外包圍框，以左下角為原點，自西向東、自南向北，按照1km×1km對地形數(shù)據(jù)分塊，同時相鄰DEM塊在南北、東西方向互有50m重疊寬度；每塊DEM以國家標準交換格式存儲，建立DEM文件數(shù)據(jù)庫；C、三維DLG生成(3)，從高密度DEM(3-1)，能自動生成等高線(3-3)及所需的高程注記點(3-4)，等高距按成圖需要設(shè)定；利用VintuoZo或JX-4攝影測量工作站，從高分辨率DOM(3-2)自動提取出地形特征線、山脊線、山谷線、陡坎地形特征(3-5)，及道路、房屋、橋梁、水系地物信息(3-6)，對電力線、植被類型進行調(diào)繪，對于地名、河流名、境界，地面調(diào)繪；D、高程內(nèi)插和斷面線的生成(4)a、高程內(nèi)插，基于機載LIDAR數(shù)據(jù)得到的DEM數(shù)據(jù)庫，根據(jù)所求點的x、y坐標和數(shù)據(jù)庫索引文件，先找到該點所在的DEM文件及其待求點所在的格網(wǎng)單元，然后用雙線性內(nèi)插法內(nèi)插出該點高程；b、縱斷面線生成，根據(jù)線位中樁的x、y坐標，在數(shù)據(jù)庫中經(jīng)高程內(nèi)插得到其z值，成為三維坐標；獲得所有中樁的三維坐標后，按樁號順序排列，獲取一條完整的縱斷面線；c、橫斷面線的生成，首先對于中樁的橫斷面線，從起點樁開始，先利用其與相鄰的下一個中樁坐標計算該橫斷面中樁點的方位角；其次是利用方位角和中樁坐標，根據(jù)點斜式公式得到橫斷面線所在直線方程，并按左右各一定長度，計算橫斷面直線段與DEM水平和豎直格網(wǎng)的交點坐標，即生成橫斷面線所在的地面線；第三是設(shè)定閾值，從距中樁最近的橫斷面點開始，對同側(cè)橫斷面線上的前一個相鄰點進行高差比較，兩點的高差小于閾值則刪除該點，并將下一個點設(shè)為當前點，重復(fù)本步驟，使斷面上相鄰點高差值大于閾值；第四是最終橫斷面線按公路設(shè)計接受的通用格式輸出；E、公路CAD協(xié)同設(shè)計(5)a、基于高密度DEM(3-1)、高分辨率DOM(3-2)和三維DLG(3)，根據(jù)交點法、線元法，完成公路路線平面設(shè)計(5-1)；b、根據(jù)高密度DEM(3-1)自動生成縱斷面線，采用動態(tài)無序拉坡、豎曲線交互設(shè)計縱斷面設(shè)計方法完成縱斷面設(shè)計(5-2)；c、根據(jù)高密度DEM(3-1)自動生成的橫斷面線，按橫斷面模板、路基邊溝排水設(shè)計完成橫斷面設(shè)計(5-3)；d、設(shè)計模型與DEM疊加(5-4)，平面設(shè)計(5-1)、縱斷面設(shè)計(5-2)、橫斷面設(shè)計(5-3)完成后，生成路基設(shè)計模型，并與地面DEM疊加或融合，形成路基與地面模型的無縫拼接，即一個整體模型；e、工程數(shù)量計算(5-5)，基于路基、地形模型，通過對機載LIDAR數(shù)據(jù)的調(diào)用，完成路線設(shè)計中所需的工程數(shù)量計算；f、變更方案(5-6)，對路線方案，結(jié)合DEM、DOM，按地形地貌選線、自然景觀選線、安全選線、地質(zhì)選線進行可視化的三維動態(tài)分析與評估，以及對工程數(shù)量進行比較，判斷需變更設(shè)計，變更，返回本步驟的第1個流程，重新進行路線的設(shè)計；g、設(shè)計圖表輸出(5-7)，對設(shè)計最終成果進行設(shè)計圖、表的輸出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于三維機載LIDAR的公路測設(shè)方法，其步驟為首先是采用地表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以飛機為平臺，在測區(qū)布設(shè)GPS基站，按公路路線方案設(shè)計技術(shù)參數(shù)；其次是對海量高密度DEM數(shù)據(jù)建庫，通過范圍索引文件進行數(shù)據(jù)庫的動態(tài)分塊管理，滿足設(shè)計過程中所需數(shù)據(jù)的快速調(diào)度；第三是基于DEM及DOM生成三維DLG；第四是生成滿足公路定測與施工圖設(shè)計要求的地表斷面數(shù)據(jù)；第五是機載LIDAR與公路CAD協(xié)同，實現(xiàn)三維可視化、動態(tài)設(shè)計，自動生成各種施工圖設(shè)計圖表。本發(fā)明方法簡單，操作方便，創(chuàng)新性地基于機載LIDAR生成的數(shù)據(jù)直接進行公路定測與施工圖設(shè)計，省去了外業(yè)工作流程，縮短了測設(shè)周期，大幅提高了測設(shè)效率。
文檔編號G06T19/00GK101159066SQ20071016838
公開日2008年4月9日 申請日期2007年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月20日
發(fā)明者余紹淮, 霄 張, 王麗園, 陳楚江 申請人:中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司