鄒世鋒，陶彣君*，秦昌威，華 輝

（1. 湖北省國土測繪院，湖北 武漢 430010）

公路建設(shè)是我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要支撐。公路縱橫斷面圖是公路設(shè)計中不可或缺的重要基礎(chǔ)資料，能直觀反映公路與地形地貌之間的關(guān)系，為工程量計算、施工和養(yǎng)護(hù)提供重要依據(jù)。傳統(tǒng)的公路縱橫斷面測量主要依靠人工或接觸式儀器設(shè)備，不僅效率低、精度差、成本高，而且還可能存在安全隱患或環(huán)境影響等問題，難以滿足現(xiàn)代公路設(shè)計的要求[1-3]。

近年來，激光雷達(dá)（LiDAR）技術(shù)逐漸被應(yīng)用于公路縱橫斷面測量中[4-7]。LiDAR技術(shù)利用激光束掃描地面目標(biāo)，根據(jù)反射信號的時間差和強(qiáng)度差計算目標(biāo)位置、形狀和屬性等信息，從而生成高密度、高精度、高可視化的三維點云數(shù)據(jù)，具有測量速度快、覆蓋范圍廣、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點，可有效解決傳統(tǒng)方法在復(fù)雜地形條件下存在的測量難題，并在公路設(shè)計行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[8-10]。

LiDAR點云數(shù)據(jù)通常以LAS格式存儲，但國內(nèi)大多數(shù)主流道路設(shè)計軟件（緯地、EICAD等）能處理的數(shù)據(jù)多為文本文件或DWG格式[11]，因此這些軟件基本上僅能進(jìn)行高程點抽稀或DEM高程信息提取，很難高效讀取大規(guī)模LAS格式點云數(shù)據(jù)，限制了LiDAR點云數(shù)據(jù)在公路設(shè)計中的應(yīng)用。

為實現(xiàn)LAS點云數(shù)據(jù)與主流道路設(shè)計軟件格式的兼容，本文基于FME平臺開發(fā)了一款利用點云生成道路縱橫斷面的程序，不僅能將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)道路設(shè)計軟件支持的縱橫斷面數(shù)據(jù)格式（文本或DWG），還可與緯地或EICAD 等道路設(shè)計軟件進(jìn)行無縫銜接。通過這種方式，公路設(shè)計單位可直接利用點云數(shù)據(jù)進(jìn)行道路設(shè)計，從而提高了設(shè)計效率和質(zhì)量。

1 基于FME的點云數(shù)據(jù)生成算法

1.1 算法思路

不規(guī)則三角形格網(wǎng)（TIN）[12-13]能直觀反映地表起伏形態(tài)，由一系列相鄰且不重疊的三角形組成。在進(jìn)行道路設(shè)計時，需顧及諸多道路縱橫斷面上的關(guān)鍵點[14-16]，這些關(guān)鍵點是TIN 中三角形與公路縱橫斷面設(shè)計相交的點，其高程信息能反映公路橫斷面與地形表面之間的高差和坡度，為進(jìn)一步的道路設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐。關(guān)鍵點可分為路基關(guān)鍵點、路面關(guān)鍵點和設(shè)施關(guān)鍵點3 類，路基關(guān)鍵點主要包括路基中心線、路肩外緣、邊溝外緣、邊坡等與TIN的交點；路面關(guān)鍵點主要包括車行道外緣、分隔帶外緣等與TIN的交點以及超高變化點等；設(shè)施關(guān)鍵點主要包括擋土墻頂部、護(hù)坡道頂部、截水溝底部、取土坑底部等與TIN的交點。

為繪制更貼合實地地形的縱橫斷面圖，公路設(shè)計時采用LiDAR方式采集海量LAS格式的點云數(shù)據(jù)，讀取點云數(shù)據(jù)生成TIN文件；再根據(jù)公路設(shè)計時提供的中心線和逐樁坐標(biāo)數(shù)據(jù)計算得到每個樁坐標(biāo)的法向量，該法向量將穿過多個TIN的三角形，這些交點即為最終的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。繪制橫斷面圖時采用非等距離采樣方法，即選取橫斷面線與TIN的所有相交點作為采樣點，以最大限度地保證所繪制的斷面線與實地貼合。因點云數(shù)據(jù)密度和精度很高，一般為毫米級，因此利用該方式采樣的點位密度極高，能精確反映地面的起伏變化。

1.2 算法設(shè)計

基于算法思路，結(jié)合實際公路設(shè)計需求和FME平臺的特性，算法的具體步驟為：①選取待設(shè)計公路的設(shè)計線數(shù)據(jù)、樁號和左右寬數(shù)據(jù)、符合精度要求的點云LAS數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)源，可通過其他軟件導(dǎo)出或手工錄入的方式獲取，利用設(shè)計線數(shù)據(jù)、樁號和左右寬數(shù)據(jù)生成每個橫斷面的橫斷面切線，用于后續(xù)橫斷面與TIN的相交計算，以求取交點數(shù)據(jù)作為橫斷面線的地面采樣點數(shù)據(jù)，利用地面點云LAS數(shù)據(jù)生成地面的TIN 文件；②根據(jù)橫斷面切線和TIN 生成三維的橫斷面貼地線，即橫斷面采樣點所連成的折線；③根據(jù)橫斷面貼地線生成沿線路前進(jìn)方向的橫斷面圖，主要用于數(shù)據(jù)質(zhì)檢和優(yōu)化；④橫斷面圖檢測優(yōu)化無誤后，按照抬桿法和相對中樁法的格式要求生成對應(yīng)的橫斷面CSV數(shù)據(jù)文件；⑤在專業(yè)的公路設(shè)計軟件中，以生成的精確橫斷面數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，完成相應(yīng)的公路設(shè)計工作。

2 程序設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要求

要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的批量處理，應(yīng)采用符合規(guī)定格式要求的數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，經(jīng)過程序自動處理，才能得到滿足要求的成果數(shù)據(jù)。程序要求輸入外業(yè)采集數(shù)據(jù)和設(shè)計數(shù)據(jù)，外業(yè)采集數(shù)據(jù)主要為點云數(shù)據(jù)，格式要求為LAS；設(shè)計數(shù)據(jù)包括設(shè)計線數(shù)據(jù)（dwg格式）、樁號和左右寬數(shù)據(jù)（Excel格式）兩類。由于LAS為標(biāo)準(zhǔn)點云數(shù)據(jù)格式，本文僅對設(shè)計數(shù)據(jù)格式進(jìn)行介紹。

1）設(shè)計線數(shù)據(jù)（dwg 格式）。設(shè)計線為道路設(shè)計過程中的重要線，分為中心設(shè)計線（M）、左側(cè)設(shè)計線（L）、右側(cè)設(shè)計線（R）3 類。根據(jù)道路要求的不同，可能存在個別邊線缺失的情況。在設(shè)計線DWG 圖中，每組道路設(shè)計線均采用圖層分層來組織，圖層命名格式為“類型+起始里程”，如“L14000”表示該圖層為左側(cè)設(shè)計線，其起始里程為14000（圖1）。

圖1 設(shè)計線數(shù)據(jù)（dwg格式）示例

2）樁號和左右寬數(shù)據(jù)（Excel 格式）。樁號和左右寬數(shù)據(jù)又稱斷面信息數(shù)據(jù)，采用Excel 格式存儲（圖2），單位均為m，若為左側(cè)設(shè)計線，則左寬為必填項，右寬為選填項，如不填寫則右寬為該橫斷面線從左側(cè)設(shè)計線延伸至右側(cè)設(shè)計線的距離；若為右側(cè)設(shè)計線，則右寬為必填項，左寬為選填項；若為中間設(shè)計線，則需填寫完整的左寬和右寬。測量高程表示相應(yīng)樁號的實測高程值，用于構(gòu)建TIN。坐標(biāo)東和坐標(biāo)北只需在起點樁號處填寫，用于判定設(shè)計線的起始方向。

圖2 斷面信息表（Excel格式）

2.2 程序?qū)崿F(xiàn)

FME軟件是一款空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理系統(tǒng)，內(nèi)置超過400 個功能豐富的轉(zhuǎn)換器[17]。利用其對多源數(shù)據(jù)格式的讀寫支持和處理功能，可讀取點云數(shù)據(jù)LAS文件生成TIN，從設(shè)計線文件和逐樁表數(shù)據(jù)中提取橫斷面切線，再根據(jù)橫斷面切線和TIN生成三維橫斷面貼地線，并輸出橫斷面CSV文件等。

本文利用FME 2022 編寫點云生成縱橫斷面的解決方案（圖3），實現(xiàn)了點云數(shù)據(jù)公路斷面的全自動提取。該程序利用FME 的上百個轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)篩選、處理、轉(zhuǎn)換、輸出等功能。解決方案界面見圖4，Open區(qū)域為數(shù)據(jù)源參數(shù)，包括點云數(shù)據(jù)、設(shè)計線位圖和斷面樁號信息（斷面信息數(shù)據(jù)）3 項，用戶通過文件瀏覽即可完成參數(shù)設(shè)置；Para區(qū)域為斷面緩沖區(qū)參數(shù)，默認(rèn)值為15 m，可根據(jù)點云數(shù)據(jù)密度和質(zhì)量設(shè)置恰當(dāng)?shù)狞c云拾取距離；Save區(qū)域為成果輸出參數(shù)，用于設(shè)置成果文件的保存文件夾。

圖3 FME編寫的線路斷面自動提取方案

圖4 線路斷面自動提取方案運(yùn)行界面

3 實驗驗證與分析

3.1 中間成果

設(shè)置好輸入數(shù)據(jù)源，程序?qū)⒆詣犹崛M足點位密度要求的橫斷面數(shù)據(jù)點，包括橫斷面上所有特征點的高程和距離信息，并生成斷面數(shù)據(jù)文件。根據(jù)設(shè)計線的方向或角度，可提取豐富的斷面信息（圖5）。為直觀檢查橫斷面生成數(shù)據(jù)的質(zhì)量，按照設(shè)計線線位順序和斷面信息依次生成dwg 格式的斷面圖，以圖形化的方式展示斷面變化（圖6）。用戶可在AutoCAD中直觀查看不同線位處的斷面形狀和尺寸，并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整和優(yōu)化。

圖5 斷面信息提取界面

圖6 斷面圖界面

3.2 橫斷面CSV格式成果

經(jīng)中間成果檢查和調(diào)整優(yōu)化后，即可按照設(shè)計線、斷面數(shù)據(jù)和點云數(shù)據(jù)生成滿足要求的橫斷面CSV格式數(shù)據(jù)文件。抬桿法、相對中樁法橫斷面的CSV格式成果見圖7，兩種數(shù)據(jù)成果文件均按照道路設(shè)計軟件所需的格式進(jìn)行成果輸出，數(shù)據(jù)格式保持一致，每個斷面處均包括里程、高程、距離、高差等信息。

圖7 抬桿法、相對中樁法橫斷面CSV格式成果（部分）

3.3 效率分析

方案可根據(jù)設(shè)計線數(shù)據(jù)、樁號和左右寬數(shù)據(jù)、點云數(shù)據(jù)生成兩類成果數(shù)據(jù)：①dwg 格式成果圖，包含縱橫斷面設(shè)計、貼地線和斷面圖3 種；②CSV 格式數(shù)據(jù)文件，包含抬桿法和相對中樁法的橫斷面數(shù)據(jù)。上述數(shù)據(jù)文件均為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，可供大部分公路設(shè)計單位直接使用。與傳統(tǒng)縱橫斷面測量方法相比，本文借助自編程序采用點云數(shù)據(jù)生成的斷面成果具有顯著優(yōu)勢：①作業(yè)效率高，能節(jié)省大量人力和時間成本，以提取10 km 斷面數(shù)據(jù)為例，傳統(tǒng)測量方法至少需花費4 h，而本程序只需不到2 h；②傳統(tǒng)方法需要大量的人工干預(yù)和手工操作，錯誤率較高，而本程序人工干預(yù)很少，且?guī)缀醪淮嬖阱e誤；③本程序基于點云數(shù)據(jù)能生成點位密度更大、信息更豐富的斷面圖形，橫斷面線與TIN相交的所有點位均可作為斷面點參與繪制斷面圖（圖8）。

圖8 TIN點位密度

4 結(jié) 語

為解決傳統(tǒng)公路縱橫斷面測量方法存在的效率低、精度差、信息不夠豐富等問題，本文基于FME平臺編寫了一款公路縱橫斷面自動提取程序。該程序以dwg格式的設(shè)計線、Excel格式的樁號和左右寬數(shù)據(jù)以及LAS格式的點云數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，按照設(shè)計線斷面信息自動提取點云數(shù)據(jù)生成斷面圖，再經(jīng)過人工質(zhì)檢和優(yōu)化，最后按照抬桿法和相對中樁法的規(guī)則要求生成橫斷面CSV格式成果數(shù)據(jù)。本程序已應(yīng)用于多條公路的設(shè)計中，實踐證明其不僅能快速準(zhǔn)確地獲取公路路線縱橫斷面信息，而且成果數(shù)據(jù)還可在不同道路設(shè)計軟件之間進(jìn)行無縫銜接交互。本文通過實際生產(chǎn)項目驗證了程序的正確性、有效性和優(yōu)越性，也對基于點云數(shù)據(jù)的公路路線縱橫斷面測量進(jìn)行了進(jìn)一步探索，開拓了其使用范疇。今后還可在數(shù)據(jù)抽稀、成果類型豐富程度等方面進(jìn)行深入研究。