張龍其，劉海洋，郭云開(kāi)，廖 斌

(1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004； 2. 貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550008)

?

結(jié)合多源數(shù)據(jù)的路域精細(xì)DEM建模方法

張龍其1，劉海洋1，郭云開(kāi)1，廖 斌2

(1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004； 2. 貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550008)

探討了道路施工造成的路域DEM變化區(qū)域的精細(xì)DEM建模方法。該方法首先把二維道路設(shè)計(jì)成果處理成三維的特征線要素，構(gòu)建初始TIN；其次應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析的方法內(nèi)插求出實(shí)測(cè)點(diǎn)云中各點(diǎn)在初始TIN上的高程和實(shí)測(cè)高程之間的差異進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，驗(yàn)證并修改失真的三維特征線要素；然后與選取的少量地面觀測(cè)點(diǎn)云構(gòu)建變化區(qū)域的DEM，最終實(shí)現(xiàn)了路域變化區(qū)域精細(xì)DEM的構(gòu)建方法。以杭瑞高速畢都(畢節(jié)至都格)段的道路設(shè)計(jì)成果和局部三維激光掃描數(shù)據(jù)為例開(kāi)展了試驗(yàn)研究，研究表明該方法建立的路域DEM精度高、成本低、觀測(cè)方式靈活，可廣泛推廣應(yīng)用。

路域；DEM；增量更新

作為包括我國(guó)、日本、美國(guó)等多個(gè)國(guó)家規(guī)?；纳a(chǎn)的空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施基本產(chǎn)品之一的DEM數(shù)據(jù)在道路設(shè)計(jì)、防洪、農(nóng)業(yè)、規(guī)劃、軍事工程、飛行器與戰(zhàn)場(chǎng)仿真等領(lǐng)域得到廣泛深入的應(yīng)用，是最為重要的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)之一[1]。改革開(kāi)放30年來(lái)掀起的道路建設(shè)高潮[2-3]，成為我國(guó)路域DEM數(shù)據(jù)變化更新的主要原因之一。交通部網(wǎng)站發(fā)布的交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)顯示，2015年全國(guó)公路總里程457.73萬(wàn)千米。公路的修建不可避免地要占用和分隔土地，施工過(guò)程中的開(kāi)挖路塹、填筑路堤必然對(duì)周圍的地形、地貌產(chǎn)生顯著影響；大量的挖土填方,引起巖土體移動(dòng)、變形和破壞，增加了地質(zhì)脆弱邊帶邊坡的不穩(wěn)定性。橋梁兩端周圍的地表也因橋梁的修建或多或少的發(fā)生了變化，如要挖掉山體的一部分、修建防護(hù)邊坡等。道路的建設(shè)改變了大量的地形表面，是DEM數(shù)據(jù)更新的主要原因之一。

路域DEM的構(gòu)建也引起了廣泛的關(guān)注，而基于設(shè)計(jì)成果建模的主要研究如下：蒲浩等探討了基于設(shè)計(jì)成果的三維整體建模方法[4-5]；賁曉明等應(yīng)用VBA開(kāi)發(fā)技術(shù)基于AutoCAD的電子版道路平面圖、縱斷面圖和橫斷面圖的基礎(chǔ)上完成了模型的自動(dòng)建立[6]；潘榮江等從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度探討了一種基于平面設(shè)計(jì)圖的高速公路三維建模方法[7]；劉釗等提出了基于頂點(diǎn)刪除法簡(jiǎn)化道路三維地形模型的方法[8]。這些研究成果實(shí)現(xiàn)了道路設(shè)計(jì)的三維建模，但是無(wú)法保證模型的現(xiàn)勢(shì)性。隨著測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，車載LiDAR[9-12]、機(jī)載LiDAR[13]、地圖綜合縮編軟件更新[14]、無(wú)人機(jī)搭載雙頻GPS接收機(jī)攝影測(cè)量[15]、高分辨率航天遙感[16]、地面激光掃描[10,17]等技術(shù)也應(yīng)用到路域DEM的創(chuàng)建。Yu等應(yīng)用激光掃描儀、GPS、IMU等技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)獲取三維路面模型的系統(tǒng)，其沒(méi)有考慮原有設(shè)計(jì)成果的作用[18]。這些方法非常適合大范圍的DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)，針對(duì)路域變化區(qū)域精細(xì)DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)，DEM數(shù)據(jù)增量采編技術(shù)還有待進(jìn)一步的發(fā)展。

本文基于設(shè)計(jì)成果資料、遙感影像數(shù)據(jù)和少量地面三維激光掃描數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)分析與實(shí)地調(diào)查結(jié)合的方法，探討基于多源數(shù)據(jù)的路域精細(xì)DEM建模方法。

1 技術(shù)路線

本文探討的路域精細(xì)DEM建模方法的技術(shù)路線如圖1所示。核心就是把二維的設(shè)計(jì)成果(平面線、縱橫斷面、特征線)處理成三維特征線和點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，建立和原始TIN無(wú)縫銜接的路域精細(xì)DEM，實(shí)現(xiàn)路域DEM數(shù)據(jù)的增量更新。

圖1 技術(shù)路線

與設(shè)計(jì)成果相比，實(shí)測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有很好的現(xiàn)勢(shì)性，也有很高的精度；但采樣點(diǎn)的密集程度往往超過(guò)實(shí)際需要，且存在過(guò)濾不完全造成的非地面點(diǎn)。因此，融合建模的關(guān)鍵就是根據(jù)兩者之間的偏差，識(shí)別失真的特征線和點(diǎn)云中非地面點(diǎn)；然后修改或刪除失真的特征線，并從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中選取設(shè)計(jì)成果沒(méi)有涉及區(qū)域的少量離散點(diǎn)；最后用修改完善的特征線、變化多邊形和選取的少量離散點(diǎn)來(lái)創(chuàng)建變化區(qū)域TIN。

該方法的關(guān)鍵就是點(diǎn)云數(shù)據(jù)和特征線之間誤差的分析及處理，即如何用點(diǎn)云數(shù)據(jù)驗(yàn)證特征線是否失真。筆者從點(diǎn)、線和面3個(gè)角度構(gòu)建判斷分析特征線是否失真的方法。

(1) 面方法：首先用特征線構(gòu)建約束的變化區(qū)域TIN；然后用TIN內(nèi)插求出點(diǎn)云中每點(diǎn)坐標(biāo)(x,y)對(duì)應(yīng)高程，進(jìn)而計(jì)算出和實(shí)測(cè)高程之差；分別統(tǒng)計(jì)分析路面、邊坡區(qū)域高差值分布情況，按超過(guò)2倍中誤差為限差得出失真的點(diǎn)云，對(duì)應(yīng)的區(qū)域即為失真區(qū)域，失真區(qū)域內(nèi)的特征線為失真特征線。

(2) 線方法：線要素可能是面內(nèi)部，也可能是兩面的交線。首先按照位置把特征線劃分為：邊界、縱斷面線、橫斷面線、變坡線(邊坡上坡度變化的線)和隔離帶邊界線5種類型；然后在每條特征線兩側(cè)分別構(gòu)建0.5 m直角帶狀范圍緩沖區(qū)，對(duì)緩沖區(qū)內(nèi)點(diǎn)按式(1)內(nèi)插計(jì)算各點(diǎn)高程和原高程的差值。分別統(tǒng)計(jì)特征線兩側(cè)高差平均值，用表1中的標(biāo)準(zhǔn)判斷特征線是否失真

(1)

式中：d1、d2、h1、h12、h分別表示到折線起點(diǎn)和終點(diǎn)的距離、起點(diǎn)高程、起終點(diǎn)之間的高差及點(diǎn)實(shí)測(cè)高程。

(3) 點(diǎn)方法：首先特征線所有的點(diǎn)(包括折點(diǎn)和端點(diǎn))轉(zhuǎn)換成點(diǎn)要素；然后，在每個(gè)點(diǎn)要素周圍0.5 m構(gòu)建緩沖區(qū)，從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中選取緩沖區(qū)內(nèi)的點(diǎn)，并統(tǒng)計(jì)分析得出高差平均值、標(biāo)準(zhǔn)差；再根據(jù)該特征點(diǎn)高程是否在緩沖區(qū)內(nèi)點(diǎn)云高程平均值的2倍標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)判斷該點(diǎn)是否失真，進(jìn)而判斷對(duì)應(yīng)的特征線是否失真。

表1 特征線失真條件表

注：dh左、dh右、dh內(nèi)、dh外、dh平、dh坡分別為特征線左右兩側(cè)、靠近路面一側(cè)或另一側(cè)、平坡或斜坡一側(cè)緩沖區(qū)內(nèi)點(diǎn)高差平均值。

修改失真區(qū)域內(nèi)的特征線數(shù)據(jù)，手工選取對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為特征點(diǎn)，和修改后的特征線一起重建TIN；重復(fù)上述步驟，直至失真區(qū)域完全消失為止。

2 試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證方法的可行性，本文將杭瑞高速畢都(畢節(jié)至都格)段(K167+400-K168+400)與307省道交匯處約1 km的路段作為試驗(yàn)區(qū)開(kāi)展試驗(yàn)研究。本項(xiàng)目收集到二維的CAD格式的帶狀地形圖、道路中線、橫斷面、縱斷面線、特征線及TIFF格式的正射影像數(shù)據(jù)等。針對(duì)縱斷面線、道路中線、橫斷面線處理、特征線進(jìn)行的處理工作依次為格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)選取、編輯修改、坐標(biāo)變換，生成了具有統(tǒng)一地理坐標(biāo)的三維SHP格式數(shù)據(jù)(如圖2所示)。然后，用邊坡外邊界、道路外邊界、橋路分界線組成的封閉區(qū)域作為變化區(qū)域，并應(yīng)用ArcGIS的“創(chuàng)建TIN”功能生成了變化區(qū)域的TIN。

在野外，用徠卡C5三維激光掃描儀對(duì)試驗(yàn)區(qū)路段進(jìn)行掃描觀測(cè)，共采集10 GB左右的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和照片。應(yīng)用Cyclone完成測(cè)站拼接、地理配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)過(guò)濾等操作生成統(tǒng)一地理坐標(biāo)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并依據(jù)位置依次分割成路面、邊坡和橋兩端底部區(qū)域3個(gè)點(diǎn)云文件。

圖2 特征線處理結(jié)果及邊坡點(diǎn)云分布

應(yīng)用ArcGIS內(nèi)插計(jì)算出點(diǎn)云中各點(diǎn)在變化區(qū)域的TIN中的高程，并計(jì)算出和實(shí)測(cè)高程的差異，路面和邊坡部分的差異統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖3所示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)了一處明顯失真的邊坡(如圖4(a)所示)，重新修改橫斷面線，使點(diǎn)云數(shù)據(jù)和橫斷面基本吻合(如圖4(b)所示)。最后，以修改后的三維線要素及選取的部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)重新構(gòu)建的TIN模型如圖5所示。采用同樣的差值統(tǒng)計(jì)方法分析得出建模后路面和邊坡部分點(diǎn)云高程中誤差分別為0.03 m和0.2 m。

圖3 高差統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

圖4 邊坡特征線失真

表2 誤差統(tǒng)計(jì)分析表 m

3 結(jié)果及討論

試驗(yàn)結(jié)果表明,三維掃面點(diǎn)云在路面區(qū)域與設(shè)計(jì)成果吻合較好，高差標(biāo)準(zhǔn)差為0.038 m，滿足當(dāng)前任何比例尺DEM的精度要求。從空間分布格局上看，誤差分布具有如下特點(diǎn)：①誤差較大的點(diǎn)往往成片出現(xiàn)，這可能是在路面施工過(guò)程中出于某種原因?qū)е碌脑O(shè)計(jì)變更或建成后的局部維修造成的；②一般情況下道路中間部分的高差的小于道路邊緣部分；③誤差大于0.2 m的零星點(diǎn)，對(duì)照觀測(cè)結(jié)果分析得知一般為掃描時(shí)過(guò)往車輛、護(hù)欄、植被等非路面特征點(diǎn)，為點(diǎn)云過(guò)濾不完全所致?？梢缘贸觯簯?yīng)用基于設(shè)計(jì)成果處理完成的特征線構(gòu)建厘米級(jí)的三維路面模型是可行的，該結(jié)果可適用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)中非路面點(diǎn)的過(guò)濾。

圖5 建模效果

邊坡區(qū)域掃描點(diǎn)云與設(shè)計(jì)成果相差較大，設(shè)計(jì)成果基本上不能滿足地面精細(xì)建模的需要。進(jìn)一步的分析得出：①實(shí)測(cè)點(diǎn)云高程一般高于設(shè)計(jì)高程，負(fù)值偏差值所占比例不到總數(shù)的1/5；②偏差較大的點(diǎn)成片出現(xiàn)，且越偏離道路偏差越大；③邊坡內(nèi)部存在部分零星的較高偏差值。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，這主要是以下原因造成的：①大部分邊坡植被茂盛，掃描點(diǎn)云無(wú)法觀測(cè)真實(shí)地面點(diǎn)，實(shí)測(cè)高程往往高于設(shè)計(jì)成果，建模過(guò)程中無(wú)須修改特征線；②在邊坡邊緣地方構(gòu)建三角網(wǎng)存在不合理的因素，在建模過(guò)程中要考慮邊界因素；③邊坡內(nèi)部零星的較高偏差值一般為零星植被造成的，建模過(guò)程中無(wú)須修改特征線；④實(shí)測(cè)高程明顯低于設(shè)計(jì)高程的區(qū)域，邊坡特征線失真可能性較大(如圖5所示)，且往往是成片區(qū)域的改變，這時(shí)就需要修改特征線。綜合分析得出：①在邊坡區(qū)域精細(xì)建模時(shí)需要綜合考慮植被、邊緣地帶、修改設(shè)計(jì)等多種因素，實(shí)測(cè)點(diǎn)云一般不宜用來(lái)建模；②該方法有助于快速發(fā)現(xiàn)與設(shè)計(jì)成果較大差異的區(qū)域，可用于數(shù)據(jù)融合建模；③該方法有助于發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重偏差的離散點(diǎn)，即粗差點(diǎn)。本次發(fā)現(xiàn)1927個(gè)粗差點(diǎn)，對(duì)相應(yīng)點(diǎn)手動(dòng)刪除，可以有效改善點(diǎn)云過(guò)濾的效果。此外，在變化區(qū)域內(nèi)部存在設(shè)計(jì)成果未涉及的區(qū)域(如橋兩端底部區(qū)域)必須全部采用野外觀測(cè)的數(shù)據(jù)建模。

4 結(jié)論及展望

將設(shè)計(jì)成果處理為三維的特征線，并據(jù)此構(gòu)建路域DEM是可行的，能夠滿足大多數(shù)建模精度需要，但建立的模型不能反映設(shè)計(jì)變更、邊坡滑坡及治理等造成的偏差，也不能完全覆蓋所有變化區(qū)域。借助現(xiàn)場(chǎng)對(duì)邊坡、橋兩端進(jìn)行少量的三維激光掃描觀測(cè)點(diǎn)云和設(shè)計(jì)成果交叉驗(yàn)證的融合建模方法充分利用原有設(shè)計(jì)成果資料，以最小的地面三維激光觀測(cè)保證了模型的現(xiàn)勢(shì)性，達(dá)到當(dāng)前車載和機(jī)載激光雷達(dá)觀測(cè)的效果，極大地節(jié)約了路域DEM的建模成本，可在路域DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)方面廣泛推廣。此外，該方法有利于將設(shè)計(jì)成果和全面三維點(diǎn)云融合，提高基于點(diǎn)云的路域環(huán)境三維建模的效率。本文探討的方法在自動(dòng)化方面還有待進(jìn)一步的發(fā)展。

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The Methodology on Building High-fidelity DEM in Road Domain Based on Multi-source Data

ZHANG Longqi1,LIU Haiyang1,GUO Yunkai1，LIAO Bin2

(1. Traffic and Transportation Engineering School, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410004, China; 2. Guizhou Transportation Planning Survey & Design Acadame Co. Ltd., Guiyang 550008, China)

The road construction climax of reform and opening up 30 years has become one of the main reasons for the updating of DEM data in road domain. The paper discussed a methodology building high-resolution DEM based on the road design results, remote sensing image data before and after construction from google earth, terrestrial laser scanning point cloud. The demonstration was made based on the data of about 1 kilometer road in Bijie-Douge section of Hangzhou-Ruili expressway. The results showed that it was a feasible, fast and precise method based on the road design results in the road surface and side slope. The research showed that the method had the advantages of high precision, low cost and flexible observation mode, and can be widely used.

road domain; DEM; incremental update

張龍其，劉海洋，郭云開(kāi)，等.結(jié)合多源數(shù)據(jù)的路域精細(xì)DEM建模方法[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(7)：113-116.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0235.

2017-03-06；

2017-05-17

貴州省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃(2015-121-022);湖南省科技廳重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016SK2023)

張龍其(1977—)，男，博士，講師，主要從事GIS應(yīng)用及開(kāi)發(fā)方面的研究工作。E-mail: zhanglongqi@csust.edu.cn

P208

A

0494-0911(2017)07-0113-04