李艷，楊少艷，屈仁飛，謝燕梅 （.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 6099；.成都西南交大研究院有限公司，四川 成都 6003）

0 引言

道路交通行業(yè)是支持社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)和重要命脈，隨著社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，道路修建呈現(xiàn)高質(zhì)量快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)。道路勘測(cè)設(shè)計(jì)的工作量在逐年增加，對(duì)道路的測(cè)量精度與效率要求越來越高。道路斷面測(cè)量可以為道路規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、勘測(cè)、管理等工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障，可以綜合考慮城市交通方式、土地利用、景觀綠化、地下管線等因素對(duì)道路橫斷面設(shè)計(jì)的影響[1]，對(duì)道路持續(xù)健康發(fā)展有著不可磨滅的貢獻(xiàn)。

傳統(tǒng)的道路線路測(cè)量工作外業(yè)依靠全站儀、RTK（Real-Time Kinematic）、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）等測(cè)量技術(shù)[2]，完全依賴人工進(jìn)行定距、定量實(shí)測(cè)，在山區(qū)植被密集和人員無法到達(dá)地區(qū)采集數(shù)據(jù)精度較低。內(nèi)業(yè)人員利用南方CASS等軟件展開外業(yè)測(cè)量的數(shù)據(jù)，進(jìn)而繪制道路斷面圖，須進(jìn)行大量橫縱斷面數(shù)據(jù)編輯與優(yōu)化工作[3]。由于外業(yè)測(cè)量的惡劣環(huán)境和內(nèi)業(yè)軟件支持點(diǎn)數(shù)量的限制，從而導(dǎo)致道路斷面不能準(zhǔn)確體現(xiàn)道路及兩側(cè)的真實(shí)地形、地物情況。

激光雷達(dá)（Light Detection and Ranging，LiDAR）以激光器為發(fā)射光源，發(fā)射高頻率激光脈沖到被測(cè)物表面，以光電探測(cè)器為接收器件，接收被測(cè)物表面返回的回波信息[4]。相比較傳統(tǒng)的道路線路測(cè)量，機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)將Li-DAR 系統(tǒng)搭載于固定翼飛機(jī)、直升機(jī)、無人機(jī)等飛行平臺(tái)，可以全天候作業(yè)，快速地獲取高精度、高密度的地物三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過獲得精準(zhǔn)的數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM），在DEM 的基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)高精度中樁橫斷面提取。

為實(shí)現(xiàn)道路斷面圖自動(dòng)生成，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多基于LiDAR點(diǎn)云的道路斷面提取方法[5]，主要分為三種，第一種是數(shù)字等高線法，采集斷面線與等高線的交點(diǎn)，獲取該點(diǎn)的距離和高程值，從而生成斷面圖[6]；第二種是規(guī)則格網(wǎng)DEM（Digital ElevationModel）插值法，通過布設(shè)斷面線，斷面線與規(guī)則格網(wǎng)DEM 逐網(wǎng)格插值，提取斷面地形數(shù)據(jù)[7]；第三種是TIN（Triangulated Irregular Network）求交法，從海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)中快速提取構(gòu)建約束三角網(wǎng)，通過逐點(diǎn)插入法，實(shí)現(xiàn)局部Delaunay 三角網(wǎng)的快速構(gòu)建，最后根據(jù)三角網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系，實(shí)現(xiàn)斷面線與TIN 的快速求交，生成并優(yōu)化地形斷面圖[8]。以上方法都是將LiDAR 點(diǎn)云插值成等高線或格網(wǎng)之后，再通過斷面線與等高線或格網(wǎng)進(jìn)行求交或二次插值，從而得到斷面圖。在插值的過程中，會(huì)造成精度損失，且在提取斷面信息時(shí)，沒有充分考慮保留地形特征。

1 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)主要由激光掃描系統(tǒng)、GNSS、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和監(jiān)視及控制系統(tǒng)組成[4]。

激光掃描系統(tǒng)由激光發(fā)射器、激光接收機(jī)和機(jī)械掃描裝置組成。激光發(fā)射器發(fā)射出激光，機(jī)械掃描裝置快速轉(zhuǎn)動(dòng)，激光經(jīng)過反射與折射形成激光束，從不同的方向發(fā)射出去，經(jīng)地物反射回來，最后由激光接收機(jī)接收反射回來的激光，從而確定地物到激光器的距離、回波數(shù)量以及激光回波強(qiáng)度等信息。

GNSS 是能在地球表面或近地空間的任何地點(diǎn)，為用戶提供全天候的三維坐標(biāo)和速度以及時(shí)間信息的空基無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)[9]，其在機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)中有三個(gè)作用，分別是與慣性測(cè)量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）和激光器保持時(shí)間同步，與IMU 組合導(dǎo)航，提高位姿精度，提供導(dǎo)航數(shù)據(jù)給飛行平臺(tái)。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS）主要包括IMU 和導(dǎo)航處理器，其作用是測(cè)量激光發(fā)射器發(fā)射激光時(shí)刻的掃描儀姿態(tài)信息，包括俯仰（pitch）角、側(cè)滾（roll）角和航向（heading）角，與GNSS 一起組成定位定姿系統(tǒng)（Position and Orientation System，POS），提供精確的位姿信息。

監(jiān)視及控制系統(tǒng)主要是對(duì)激光掃描系統(tǒng)、GNSS、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視與控制，在協(xié)調(diào)三者同步工作的同時(shí)，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

2 特征道路斷面提取

2.1 道路要素特征信息

傳統(tǒng)道路斷面提取時(shí)，使用的道路中線包含里程、中樁樁號(hào)及其平面坐標(biāo)。里程是指道路中線上的任意一點(diǎn)沿該道路中線到起點(diǎn)里程的水平距離。中樁樁號(hào)，又稱里程樁樁號(hào)，中樁是指釘設(shè)在道路中線上注有里程的樁位標(biāo)志，中樁樁號(hào)則是中樁上所標(biāo)注的里程，以公里數(shù)和公里以下的米數(shù)相加表示，若里程為201911.24m，則該樁的樁號(hào)記為K201+911.24，是用于確定道路位置的輔助定位手段。

中樁可分為整樁和加樁。整樁是由道路的起點(diǎn)開始，每隔10m、20m 或50m 的整倍數(shù)樁號(hào)設(shè)置的里程樁，其中里程為整百米的稱百米樁，里程為整公里的稱公里樁。加樁可分為地形加樁、地物加樁、曲線加樁和關(guān)系加樁等。地形加樁是在中線地形變化處設(shè)置的樁。地物加樁是在中線上橋梁、涵洞等人工構(gòu)造物處以及與其它地物交叉處設(shè)置的樁。曲線加樁是在曲線各主點(diǎn)設(shè)置的樁。關(guān)系加樁是在轉(zhuǎn)點(diǎn)和交點(diǎn)上設(shè)置的樁。

所有中樁中，對(duì)道路位置起控制作用的樁點(diǎn)可視為中線控制樁，通常直線上的控制樁有交點(diǎn)樁（JD）和轉(zhuǎn)點(diǎn)樁（ZD），曲線上的控制樁有直圓點(diǎn)（ZY）和圓直點(diǎn)（YZ）、直緩點(diǎn)（ZH）和緩直點(diǎn)（HZ）、緩圓點(diǎn)（HY）和圓緩點(diǎn)（YH）、曲中點(diǎn)（QZ）。

傳統(tǒng)道路斷面提取只考慮了道路本身的位置信息，為了給設(shè)計(jì)規(guī)劃部門提供更加全面的道路斷面信息，需要引入道路沿線兩側(cè)的地形、地物等信息，包括房屋、橋洞、耕地、坡坎、河流、池塘等。

2.2 特征橫縱斷面生成

道路斷面提取是對(duì)某一方向剖面的地形起伏進(jìn)行測(cè)量的工作，通常分為道路橫斷面測(cè)量與道路縱斷面測(cè)量，其最終目的是得到特定位置點(diǎn)的高程值與屬性值。道路橫斷面圖指的是經(jīng)過中樁處并垂直于道路中線方向的表示地面起伏的剖面圖。道路縱斷面圖指的是經(jīng)過道路中線，表示道路起伏的剖面圖。斷面測(cè)量可為路基設(shè)計(jì)、計(jì)算路基土石方量、布置人工構(gòu)筑物以及施工放樣提供依據(jù)。

圖1 為道路斷面提取算法的流程圖，算法流程中有以下四點(diǎn)說明。

圖1 道路斷面提取算法流程圖

①以las 文件及dwg 文件為輸入，其中l(wèi)as必須是包含地面點(diǎn)，dwg文件需要包含中線數(shù)據(jù)。

②以地面點(diǎn)新建點(diǎn)云(z=0)，將輸入點(diǎn)云的地面點(diǎn)以高程為0 新建一個(gè)點(diǎn)云，通過八叉樹近鄰搜索[10]快速獲取已知點(diǎn)（x，y）周圍的近鄰點(diǎn)，從而為計(jì)算斷面點(diǎn)高度提供一個(gè)快速有效輸入。

③等間隔計(jì)算，采用平面擬合或高斯擬合計(jì)算點(diǎn)的高程，得到斷面線上特定位置點(diǎn)的高程值。

平面擬合，擬合一個(gè)三維平面，輸入（x，y）得到z 值。須滿足以下兩個(gè)條件，a.最近兩個(gè)近鄰點(diǎn)與其余近鄰點(diǎn)構(gòu)成的二維平面三角形中包含斷面點(diǎn)，b.滿足條件a 的三個(gè)點(diǎn)高程差不能大于一定值。

高斯擬合，以近鄰點(diǎn)到輸入點(diǎn)的水平距離作為高斯擬合系數(shù)，高程值作為輸入，得到輸入點(diǎn)高程。使用條件是所有近鄰點(diǎn)須滿足平面擬合條件。

④特征點(diǎn)計(jì)算，根據(jù)地形高程變化，得到有明顯地形變化點(diǎn)，從而減少斷面點(diǎn)輸出。滿足以下任意條件則為特征點(diǎn)，點(diǎn)出現(xiàn)前后點(diǎn)斷層情況、水平距離超過一定值沒找到特征點(diǎn)、點(diǎn)與最近特征點(diǎn)構(gòu)成弧度值和點(diǎn)與后幾個(gè)點(diǎn)構(gòu)成弧度值有明顯差值。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

使用固定翼無人機(jī)搭載激光雷達(dá)系統(tǒng)，如圖2 所示，獲取到53km 道路的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過點(diǎn)云分類后，得到36784913 個(gè)地面點(diǎn)，部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖3 所示。

圖2 固定翼無人機(jī)搭載激光雷達(dá)系統(tǒng)

圖3 道路las點(diǎn)云數(shù)據(jù)

使用Qt、C++開發(fā)的點(diǎn)云處理軟件對(duì)該點(diǎn)云進(jìn)行道路斷面提取。在處理器為Intel(R) Core(TM) i7-8650 CPU @1.90GHz 2.11GHz、RAM 為16.0GB、系統(tǒng)類型為64 位操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)配置下，對(duì)本文算法進(jìn)行測(cè)試。導(dǎo)入具有道路中心線圖層的dwg 或者dxf 文件，輸入里程相關(guān)參數(shù)生成里程點(diǎn)，提取道路橫斷面圖，耗時(shí)0.25s，如圖4所示。

圖4 生成道路斷面圖

為驗(yàn)證道路斷面圖的精度，采用現(xiàn)場(chǎng)RTK 實(shí)測(cè)50 個(gè)橫斷面，縱斷面54.7km。實(shí)驗(yàn)將LiDAR 點(diǎn)云插值生成1：1000 規(guī)則格網(wǎng)DEM，格網(wǎng)間隔1m，再分別采用規(guī)則格網(wǎng)DEM 插值法和本文方法提取道路斷面圖，然后將現(xiàn)場(chǎng)各橫斷面實(shí)測(cè)點(diǎn)投影到各斷面圖，統(tǒng)計(jì)橫斷面平面中誤差和高程中誤差，對(duì)比結(jié)果如表1 所示。可見，本文算法提取的道路斷面圖精度優(yōu)于規(guī)則格網(wǎng)DEM 插值法。

表1 道路斷面提取方法對(duì)比（單位：m）

4 結(jié)語

本文的道路斷面提取方法融合傳統(tǒng)道路斷面測(cè)量流程，基于高精度、高密度的激光雷達(dá)地面點(diǎn)，保證了道路兩側(cè)地形地物的完整性，斷面成果不存在漏邊坡高程特征點(diǎn)的情況，且成果具有地物屬性點(diǎn)，斷面成果能直接反映出周邊地形地物情況?；跈C(jī)載激光點(diǎn)云的道路斷面提取算法，顧及了地形地物要素特征，其橫斷面平面中誤差0.082m，橫斷面高程中誤差0.076m，滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，為道路規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、勘測(cè)、管理等工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障。