李升甫

四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司,成都 610000

我國高速公路通車總里程約16萬千米,世界排名第一。在高速公路不斷新建的同時,過去30年已經(jīng)建設完成的高速公路逐步進入升級或改造的階段。高速公路擴容改造,已成為當前交通建設領域的主要任務之一。激光掃描數(shù)據(jù)從可獲取性、精度、效率、效益等多層面均能夠適應高速公路改擴建工程的特點,是改擴建工程空間信息采集和處理的一種有效方式。論文面向高速公路改擴建工程需求,研究多源激光掃描數(shù)據(jù)集成處理與應用過程中的技術難點,主要在以下5個方面開展研究工作:

(1) 針對高速公路改擴建工程的業(yè)務需求和激光掃描技術特點,構(gòu)建了覆蓋高速公路激光點云數(shù)據(jù)采集、處理、應用全過程的技術體系。首先結(jié)合公路細分專業(yè)分層次梳理總結(jié)了改擴建業(yè)務的激光測繪信息需求;然后在評估多平臺激光信息的優(yōu)勢作用和應用場景的基礎上,設計了適應高速公路改擴建業(yè)務的天空地激光掃描成套裝備方案;最后對高速公路激光掃描技術標準化進行了探索總結(jié),制定了高速公路要素信息編碼規(guī)則和激光測繪應用技術指南,形成了面向應用的覆蓋內(nèi)容較為全面的高速公路激光測繪技術標準體系。

(2) 車載激光掃描是獲取既有高速公路路面及附屬構(gòu)造物激光點云的主要手段。針對隧道環(huán)境下車載激光點云數(shù)據(jù)位姿偏移的問題,提出了一種基于特征點的車載點云幾何糾正方法。根據(jù)隧道環(huán)境下車載激光數(shù)據(jù)采集環(huán)境的特點,設計了一種在復雜隧道中可有效識別的標靶,實現(xiàn)正常行駛狀態(tài)下標靶中心點坐標的精準提取與計算,同時研究了不同隧道規(guī)模的差異化標靶布設方案,實現(xiàn)車輛軌跡位姿的糾正和點云數(shù)據(jù)厘米級精度優(yōu)化。

(3) 多平臺激光點云彌補單一平臺帶來的數(shù)據(jù)缺失,實現(xiàn)高速公路及路域環(huán)境信息的全方位獲取。針對長大帶狀線性工程中多平臺激光點云數(shù)據(jù)配準效果不佳的問題,提出了基于“局部-全局”掃描網(wǎng)絡位姿圖構(gòu)建及優(yōu)化的多平臺點云配準方法。首先基于VLAD算法構(gòu)建多平臺點云數(shù)據(jù)初始掃描網(wǎng)絡位姿圖,再通過點到面的Trimmed-ICP算法實現(xiàn)掃描網(wǎng)絡“局部”優(yōu)化,最后通過最小收斂環(huán)實現(xiàn)掃描網(wǎng)絡的“全局”優(yōu)化。試驗結(jié)果顯示,待配準點云數(shù)據(jù)精度明顯改善,平面精度優(yōu)于10 cm,高程精度優(yōu)于5 cm。

(4) 路域范圍內(nèi)地形與地物要素、中心線及路面幾何信息、單體構(gòu)造物屬性信息都是高速公路改擴建過程中所需關鍵參數(shù)。為了改善現(xiàn)有方法的不足,提出了一種顧及地形突變特征的公路場景精細地貌計算方法;設計了一種由粗到精的路面點云提取策略,利用alpha-shape算法和Douglas-Peucker算法生成并優(yōu)化道路中心線,同時實現(xiàn)了路面參數(shù)的自動快速計算;針對路域范圍獨立構(gòu)造物和路面范圍連續(xù)及單體要素構(gòu)建了相應的三維建模技術路線,積累了高速公路場景要素單體化模板庫。

(5) 面向高速公路改擴建工程的設計、建設、運營等多階段業(yè)務需求,開發(fā)了高速公路激光點云數(shù)據(jù)集成處理原型系統(tǒng),在成都至樂山、都江堰至汶川、雅安至西昌等多條典型高速公路及改擴建工程中得到應用,提高了4D產(chǎn)品的生產(chǎn)效率,革新了傳統(tǒng)道路中心線、平縱面地面線和橫斷面的獲取方式,實現(xiàn)了橋墩垂直度、路面平整度和路拱橫坡檢測等應用,特別是要素模型單體化思路解決了改擴建工程中多個階段應用的關鍵問題。