李升甫 徐選清 楊天宇 楊 洪

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司,四川成都 610041)

1 概述

激光雷達掃描測量技術(shù)擁有數(shù)據(jù)采集速度快、密度大、精度高等特點,在道路建設(shè)行業(yè)中得到越來越多的應(yīng)用[13]。 已有許多學(xué)者對基于激光雷達數(shù)據(jù)的地面線采集和應(yīng)用進行了相關(guān)研究[68],但尚未形成系統(tǒng)化、規(guī)?；纳a(chǎn)模式。 基于ArcGIS-Addin,開發(fā)了激光點云斷面數(shù)據(jù)處理軟件,實現(xiàn)了道路設(shè)計所需縱、橫斷面數(shù)據(jù)的自動化提取,可生成“緯地”、“金思路”等多種道路設(shè)計軟件通用的斷面數(shù)據(jù),以期推動激光雷達技術(shù)在公路工程中的推廣應(yīng)用。

2 激光點云斷面數(shù)據(jù)自動提取

2.1 作業(yè)方法簡述

地面線提取步驟:先利用地面的激光點云數(shù)據(jù)生成數(shù)字高程模型,然后利用數(shù)字高程模型生成各種地面線信息。 在激光點云數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)模型,然后對高程進行插值,進而得到道路設(shè)計所需的各種地面線數(shù)據(jù)。

2.2 ArcGIS Add-in 開發(fā)方式概述

ArcGIS Add-in 開發(fā)方式支持. net、java 和Python等多種開發(fā)語言,用于定制和擴展ArcGIS 桌面軟件功能。 它具有易于掌握和安全性高等特點,支持菜單、工具條、按鈕、組合框、可?？看翱?、應(yīng)用擴展和編輯擴展等功能。

Add-in 方式在ArcGIS 桌面軟件的基礎(chǔ)上進行功能的定制和擴展,開發(fā)人員只需專注于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的處理,很大程度上減輕了開發(fā)者的工作量。 以下選用C#語言,以Add-in 插件開發(fā)方式進行激光點云斷面數(shù)據(jù)的自動化提取。

2.3 精度影響因素分析

基于激光點云提取地面線的誤差主要包括:點云數(shù)據(jù)采集誤差、分類誤差和稀疏點云插值誤差:數(shù)據(jù)采集誤差不可避免,但是經(jīng)過外業(yè)采集方法優(yōu)化和點云數(shù)據(jù)后處理可得到一定程度的減小;分類誤差主要存在于茂密植被覆蓋區(qū)域,此類誤差的大小與作業(yè)員的技能熟練程度和經(jīng)驗有關(guān);稀疏點云插值誤差對斷面精度影響最大,主要分布于茂密植被覆蓋區(qū)域、地形變化較大區(qū)域。

2.4 激光點云斷面數(shù)據(jù)提取軟件設(shè)計

根據(jù)總體功能設(shè)計,軟件的數(shù)據(jù)處理流程如圖1 所示。

圖1 斷面數(shù)據(jù)處理流程

系統(tǒng)主要包括以下幾個方面的功能:

(1)道路中線恢復(fù)

道路中線是縱、橫斷面地面線提取工作的基礎(chǔ)。道路中線類型主要有直線、緩和曲線和圓曲線,其中緩和曲線一般采用多段線來表示,直線也可看做是多段線。 因此,道路中線可認為只包含多段線和圓曲線兩種線型。

為獲取橫斷面,首先要得到過中線點處的法線;多段線中,其法線為過中樁點且垂直于中線的直線;圓曲線中,其法線為圓心與中線點的連線。 ArcGIS 軟件的個人地理數(shù)據(jù)庫和文件地理數(shù)據(jù)都支持圓弧和多段線數(shù)據(jù)類型,系統(tǒng)可直接讀取dwg 格式的路線圖形文件,且不存在精度損失。

(2)法線生成

ArcGIS 軟件提供了生成法線的方法,可以在程序開發(fā)中直接使用,減輕了程序開發(fā)難度。 ARCObject中的IPolyline 接口提供了QueryNormal()方法,可根據(jù)給定的長度返回曲線在該長度位置的法線。QueryNormal()方法中的DistanceAlongCurve 參數(shù)為沿曲線長度距起點的距離,Length 參數(shù)為法線的長度,通過輸入正、負Length 參數(shù)值就可以得到中線左側(cè)和右側(cè)的法線,并自動添加樁號、法線方向(左側(cè)/右側(cè))、角度(0 ～180°,默認為90°)等屬性。

(3)斜交線生成

除正交法線外,還有很多橋、涵、溝、渠、地方道路等與主線斜交的情況。 生成這種斜交線有兩種方法:①將切線直接旋轉(zhuǎn)實際交叉角度得到斜交線;②先生成90°的垂直法線,然后將垂直法線旋轉(zhuǎn)一個角度至所需方向,從而得到斜交線。 以下選用第二種方法,即先生成90°的垂直法線,然后進行一次旋轉(zhuǎn)(見式(1)及圖2)。

圖2 二維旋轉(zhuǎn)示意

(4)中樁和邊樁點生成

IPolyline 接口提供了QueryPoint()方法。 使用該方法,結(jié)合中線和生成的法線,可以獲得任意中樁點和邊樁點的平面坐標(biāo)。

(5)高程值提取

在取得了縱、橫斷面的平面數(shù)據(jù)之后,就可以在Terrasolid 軟件中使用“drop element on surface”工具,或者在ArcMap 軟件中使用3D Analyst Tools 工具箱中的Interpolate Shape 工具(也可使用GP 工具調(diào)用“InterpolateShape_3d”命令)。 對激光點云構(gòu)成的不規(guī)則三角網(wǎng)進行插值,可提取各種斷面點的高程值。 受數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的影響,同數(shù)據(jù)量情況下,Terrasolid 較ArcGIS 渲染速度快。 因此,可在Terrasolid 軟件中提取高程值,然后在ArcGIS 軟件中進行后續(xù)處理。 經(jīng)過處理,縱斷面點包含樁號、方向、角度、偏距和高程5 個屬性,橫斷面點包含樁號、方向、角度和高程4 個屬性,實現(xiàn)了路線任意樁號、任意方向的斷面數(shù)據(jù)自動提取。系統(tǒng)主要界面如圖3 所示。

圖3 斷面數(shù)據(jù)處理工具條界面

(6)數(shù)據(jù)檢查與融合

為了便于檢查所提取地面線的真實性和可靠性,系統(tǒng)可將所提取的三維地面線與DTM 疊加,也可與實測地面線疊加,進而進行對比分析(如圖4 所示)。 另一方面,系統(tǒng)還實現(xiàn)了激光點云斷面和實測斷面的融合使用。

圖4 橫斷面圖形結(jié)果

(7)數(shù)據(jù)輸出

在斷面數(shù)據(jù)處理過程中,所有數(shù)據(jù)都以shapefile格式進行存儲。 在數(shù)據(jù)導(dǎo)出過程中,只需根據(jù)指定的數(shù)據(jù)格式,將shp 格式原始數(shù)據(jù)進行簡單的計算和轉(zhuǎn)換,即可得到想要的成果數(shù)據(jù)。

3 工程應(yīng)用

在四川省某高速公路改擴建施工圖測設(shè)項目中,因各種原因,無法上路進行野外測繪作業(yè)。 在既有機載激光點云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,利用該軟件工具進行縱、橫斷面的自動提取,生成縱斷面點12 402個(6 條縱向地面線),橫斷面2 067個。 對部分路段橫斷面在既有路基外側(cè)進行了實測,并與路基范圍內(nèi)激光點云斷面進行了融合(見圖5、表1 和表2)。 使用該軟件可縮短測設(shè)周期45 d,極大提高了測設(shè)效率。

表1 路面激光點云數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比精度統(tǒng)計 m

圖5 實測斷面與點云斷面圖形對比和融合

表2 路面外邊樁激光點云數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比精度統(tǒng)計m

4 結(jié)論

激光點云數(shù)據(jù)自身精度是影響所提取公路斷面數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵,在既有高精度LiDAR 點云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,基于GIS 技術(shù)和ArcGIS Add-in 平臺,設(shè)計并實現(xiàn)了激光點云斷面的自動提取。 該軟件能夠快速地自動提取道路設(shè)計所需的斷面數(shù)據(jù),也可實現(xiàn)激光點云斷面數(shù)據(jù)與野外人工實測斷面數(shù)據(jù)的融合,最后生成不同道路設(shè)計軟件所需的數(shù)據(jù)文件,極大地提高了公路勘測設(shè)計的工作效率。 另一方面,軟件實現(xiàn)了三維地面線與DOM 疊加的檢查功能,保證了所提取數(shù)據(jù)的可靠性。