CN101814102B - 一种基于高分辨卫星影像的公路测设方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高分辨卫星影像的公路测设方法，其步骤：A、根据路线方案，确定卫星影像需要覆盖的范围，选择实施采集的高分辨率卫星及传感器，设计高分辨率卫星立体影像采集。B、当生成1∶2,000比例尺的成果时，进行野外地面控制点布设和测量，沿路线走向，布设控制点。C、基于高分辨率卫星影像有理多项式参数进行高分辨率卫星立体影像的区域网平差，生成公路路线区域的数字地面模型、数字正射影像图和数字线划地形图。D、高分辨率卫星测量与公路CAD协同设计，计算工程数量，并生成路线设计图、表。本发明实现了高分辨率卫星测量与公路CAD的协同设计，极大降低了野外工作量，大大缩短了测设周期，具有显著的经济效益和社会效益。

Description

一种基于高分辨卫星影像的公路测设方法

技术领域

本发明涉及公路勘察设计技术领域，更具体涉及一种基于长条带高分辨率卫星影像的公路测设方法，它适用于地表困难复杂或地理位置特殊地区的公路测量和设计。

背景技术

目前，公路勘测和设计通常基于航空摄影测量的方法，即根据路线方案，通过航空摄影获取线路走廊范围内具有一定重叠度的数字影像，然后在数字摄影测量工作站上，利用野外像控测量成果进行内业空中三角测量加密，经过数据处理，获得数字地面模型、数字正射影像图、数字线划地形图等产品，在此基础上进行公路路线设计。然而，基于航空摄影测量的公路测设方法存在如下缺陷：

第一，外业控制测量难。对于蜿蜒曲折的公路路线走廊，一般要求多条航带影像覆盖。为获得满足精度要求的测量成果，通常需要在测区内布设一定数量的地面控制点。在交通不便、环境恶劣的地区，往往很难获取地面控制点，甚至根本无法实现。

第二，航空摄影难。受空域和天气的影响，航空摄影周期往往不能满足公路测设要求，有时航飞完全不能实施。此外，对于有争议的、敏感的地区，实施航空摄影的可能性基本为零。

随着我国公路建设的发展，其建设重心呈现出向中西部、边远、荒漠等困难地区延伸的趋势。这些地区，或交通不便、人迹罕至，或崇山峻岭、地势险峻，或是有争议的边界地带等等，建设环境异常恶劣。基于航空摄影测量的公路测设模式已经无法完全满足当今公路建设的要求。

在卫星影像应用方面，韩国提出了一种利用数字摄影测量技术和卫星影像确定初步设计路线方案的方法(专利注册号KR10-0732915-B1)。其基本步骤包括：第一步，利用人造卫星拍摄获取目标区域的影像；第二步，利用地面测量设备获取地面控制点，并通过精密立体绘图仪进行立体测图；第三步，选定候选路线，将上述选定候选路线进行线形设计；第四步，利用上述立体测图数据，制作数字高程模型，即先根据DM(Digital Map)，制作一次数字高程模型，再利用道路设计数据更新一次数字高程模型，制作二次数字高程模型；第五步，利用上述制作的数字高程模型，制作数字正射影像，即首先输入上述一次数字高程模型，进行传感器建模，制作一次数字正射影像，然后输入二次数字高程模型，进行传感器建模，并将一次数字正射影像进行更新，最后与上述数字正射影像叠加，制作二次数字正射影像；第六步，对上述制作的数字正射影像和路线设计数据进行叠加操作；第七步，利用上述叠加数据进行三维可视化，并确定路线方案。

经过评价，该专利提出的有关卫星影像的道路设计方法存在下列不足之处：

1、缺乏具体的卫星影像控制点布设方案。控制点的作用、数量及分布没有说明，不能满足公路设计要求，尤其是困难复杂地区公路测设的要求。

2、缺乏实用性，过程繁琐，效率较低。需要先使用路线设计数据更新数字高程模型，再利用更新后的数字高程模型更新数字正射影像。两次生成数字高程模型和数字正射影像，不仅步骤繁琐，而且大大影响了作业效率和实际可操作性。

3、缺乏精度指标。没有对卫星影像生成产品实际精度的说明，无法判定适用于哪个公路测设阶段。

发明内容

本发明针对目前基于航空摄影测量的公路测设方法存在的缺陷和现有基于卫星影像的确定路线方案方法的不足，提出了一种实用易行的基于长条带高分辨率卫星影像的公路测设方法，实现高分辨率卫星测量与公路计算机辅助设计(CAD)的协同设计，极大降低了野外工作量，大大缩短了测设周期，具有显著的经济效益和社会效益。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术措施：

本发明采用高分辨率卫星影像数据采集设计、地面控制点的布设和测量、卫星影像的数据处理和公路CAD协同设计四个部分实现。一种基于高分辨卫星影像的公路测设方法，它包括如下步骤：

(1)根据路线方案，确定卫星影像需要覆盖的范围，选择实施采集的高分辨率卫星及传感器，如WorldView、Geoeye和IKONOS，设计高分辨率卫星立体影像采集方案。

(2)当需要生成1∶2,000比例尺的成果时，应进行地面控制点布设和测量。沿路线走向，10km布设1个地面控制点。

(3)基于高分辨率卫星影像有理多项式参数(RPC)进行高分辨率卫星立体影像的区域网平差，生成公路路线区域的数字地面模型、数字正射影像图和三维线划地形图。无地面控制点时，精度达到1∶10,000比例尺要求；有地面控制点时，精度达到1∶2,000比例尺要求。

(4)高分辨率卫星测量与公路CAD协同设计，计算工作数量，并生成公路路线设计图、表。

与现有技术相比，本发明具有以下显著优点和效果：

第一，在地形、地貌条件复杂、交通不便等困难复杂地区，基于高分辨率卫星影像(地面分辨率小于1m)，如WorldView、Geoeye和IKONOS等，进行公路勘察设计，覆盖范围宽，非常适合路线方案的比较与优化，以便选择最优的路线方案。

第二，沿路线方向每10km布设1个地面控制点，其成果达到1∶2,000比例尺的精度要求，减少野外控制工作量80％以上，从而大大降低了野外控制测量的难度。

第三，高分辨率卫星测量与公路CAD协同，提高测设效率1倍以上。

第四，卫星一次采集的数据，可满足路线方案可行性研究、初步设计两个阶段的测设需要，节约了测设成本。

第五，不受空域限制，可不间断的实现全球任何地区的重复观测，获取全球任何区域精确空间信息。

本发明为交通行业提供了一种新的测设方法，创新性地基于高分辨率卫星影像进行公路的勘察设计，极大减少了野外工作量，大大缩短了测设周期，大幅提高了测设效率。经实践证明，无地面控制点时，可直接生成1∶10,000比例尺的成果，进行路线方案可行性研究；布设少量地面控制点时，可生成1∶2,000大比例尺成果，进行路线初步设计。

附图说明

图1为一种基于高分辨率卫星影像的公路测设方法流程图。

图2为高分辨率卫星影像地面控制点布设示意图。

图3为高分辨率卫星影像数据处理流程图。

图4为高分辨率卫星测量与公路CAD协同设计流程图。

其中：1为高分辨率卫星影像数据采集设计，2为地面控制点的布设和测量，3为卫星影像的数据处理，4为公路CAD协同设计。控制点A、控制点B和控制点C分别为地面控制点。3-1为连接点的量测，3-2为卫星影像区域网预平差，3-3为地面控制点的量测，3-4为带地面控制点的卫星影像区域网平差，3-5为1∶2,000数字地面模型，3-6为1∶2,000数字正射影像图，3-7为1∶2,000数字线划地形图，3-8为1∶10,000数字地面模型，3-9为1∶10,000数字正射影像图，3-10为1∶10,000数字线划地形图。4-1为平面设计，4-2为纵断面设计，4-3为横断面设计，4-4为路基设计模型与数字地面模型叠加，4-5为工程数量计算，4-6为设计图表输出。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

以下结合附图对本发明作进一步详细描述。一种基于高分辨卫星影像的公路测设方法，各步骤详细阐述如下：

第一步，高分辨率卫星影像数据采集设计1

1、采集范围的确定。在1∶50,000地形图上，标注出路线方案(含比较方案)或方案走廊带范围及有特殊要求的区域；采集范围应覆盖所有可能的方案或走廊带范围；宽度至少5km以上。

2、高分辨率卫星及传感器的选择。选择高分辨率卫星及传感器，如WorldView、Geoeye、和IKONOS等。

3、扫描方式的选择。除正常的扫描方式外，尽可能利用卫星的侧摆能力和传感器姿态变化，用同一轨道顺公路路线方向扫描采集地面数据。

第二步，地面控制点的布设和测量2

地面控制点布设和测量执行的标准和规范有：

(1)中华人民共和国交通部《公路勘测规范》(JTG C10-2007)

(2)中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T 18314-2009)

(3)中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会《国家三、四等水准测量规范》(GB 12898-2009)

具体实施步骤如下：

1.坐标基准设计。平面坐标为1980西安坐标系或者1954北京坐标系或地方坐标系，高斯投影。GPS测量采用WGS-84坐标基准。高程基准采用1985高程基准或其它高程基准。

2.地面控制点测量精度设计。地面控制点测量平面精度不低于0.1m；地面控制点高程精度不低于0.2m；地面控制点刺点误差和孔径不大于0.1mm。

3.地面控制点点位的布设。如图2所示，在路线走廊范围内，沿路线方案布设地面控制点。相邻地面控制点间距不超过10km。地面控制点的选择应先在高分辨率卫星影像进行设计，然后实地选择适合GPS观测的具体点位并进行标定。点位的选择需顾及水准测量的需要，且尽量位于交通方便，干扰较小，且影像特征清晰、易于辨认、地势平缓的地方。

4.地面控制点的刺点与整饰。地面控制点刺于影像图上，且应刺透，不得有双孔。刺点片正面做直径为7mm的圆圈整饰，并注记点名；刺点片反面用铅笔在现场详细绘制点位略图，注上点名，简要说明刺点位置和比高、刺点者、检查者及刺点日期。

5.地面控制点的测量。地面控制点的平面测量采用GPS静态定位测量，构成网状图形结构；联测的高等级控制点须分布均匀，且不低于3个。地面控制点的高程测量按《国家三、四等水准测量规范》中五等水准测量要求进行。

第三步，卫星影像的数据处理3

采用数字摄影测量系统LPS(Lecia Photogrammetry Suite)，进行卫星影像的数据处理，提取所需的三维空间信息。流程如图3所示，具体步骤如下：

1、连接点的量测3-1。利用LPS中的连接点自动匹配功能，快速获得立体卫星影像间的同名点。待自动匹配完成后，对连接点的匹配结果进行检查，剔除错误的匹配点。对于匹配失败的地区，人工补测若干连接点，保证连接点的数量和合理的分布。

2、卫星影像区域网预平差3-2。根据高分辨率卫星影像有理多项式参数，利用LPS中Core模块的平差加密功能，进行卫星影像区域网预平差，从而消除各立体模型间的上下视差。

3、无地面控制点时，执行本步骤中的第7步。

4、地面控制点的量测3-3。在立体量测环境下，参照控制点的点位，进行地面控制点像方坐标的精确量测。

5、带地面控制点的卫星影像区域网平差3-4。利用已知的地面控制点测量成果，再次利用LPS中Core模块的平差加密功能，并设置像方补偿模型，如0阶平移模型或1阶仿射变换模型等，精确解算卫星影像对应的像方补偿系数。

6、1∶2,000数字地面模型、数字正射影像图和数字线划地形图生成。

(1.)利用LPS自动提取数字地面模型模块(ATE)，从立体卫星影像自动生成1∶2,000初步数字地面模型。然后，利用LPS数字地面模型编辑模块(TE)对其进行编辑，如加点、删点，添加特征点和线、平面区域置平等，生成1∶2,000数字地面模型3-5。

(2.)通过LPS Core模块中正射校正功能，自动生成1∶2,000数字正射影像图3-6。

(3.)利用LPS数字测图模块(PRO600)和MicroStation v8的交互式特征采集功能，对数字地面模型生成的等高线进行编辑，并完成地物的绘制，如道路、房屋、桥梁、水系等，辅助以电力线、植被类型、地名、河流名等调绘，生成1∶2,000数字线划地形图3-7。

在完成本步1∶2,000比例尺成果后，直接进入第四步，进行初步设计阶段的路线CAD设计。

7、1∶10,000的数字地面模型、数字正射影像图和数字线划地形图生成。

根据卫星影像区域网预平差成果生成1∶10,000卫星测量成果。

(1)采用上步骤6中(1)相同的方法，生成数字地面模型3-8，其精度达到1∶10,000比例尺要求。

(2)采用上步骤6中(2)相同方法，自动生成数字正射影像图3-9，其精度达到1∶10,000比例尺要求。

(3)采用上步骤6中(3)相同方法，生成数字线划地形图3-10，其精度达到1∶10,000比例尺要求。

第四步，公路CAD协同设计4

针对上述步骤获得的1∶10,000或1∶2,000比例尺卫星测量成果，进行公路路线CAD协同设计。1∶10,000比例尺成果适用于工程可行性研究；1∶2,000比例尺成果适用于路线初步设计。

如图4所示，具体步骤如下：

1、平面设计4-1。基于1∶2,000数字地面模型3-5或1∶10,000数字地面模型3-8、1∶2,000数字正射影像图3-6或1∶10,000数字正射影像图3-9和1∶2,000数字线划地形图3-7或1∶10,000数字线划地形图3-10，可根据交点法、线元法等路线平面设计方法(已有相应的设计系统)，完成公路路线平面设计4-1。

2、纵断面设计4-2。根据1∶2,000数字地面模型3-5或1∶10,000数字地面模型3-8自动生成纵断面线，采用动态无序拉坡、竖曲线交互设计等纵断面设计方法(已有相应的设计系统)完成纵断面设计4-2。

3、横断面设计4-3。根据1∶2,000数字地面模型3-5或1∶10，000数字地面模型3-8自动生成横断面地面线，采用横断面模板、路基边沟排水设计等横断面设计方法(已有相应的设计系统)完成横断面设计4-3。

4、路基设计模型与数字地面模型叠加4-4。平面设计4-1、纵断面设计4-2、横断面设计4-3完成后，生成路基设计模型，并与1∶2,000数字地面模型3-5或1∶10,000数字地面模型3-8叠加融合，形成路基模型与地面模型的无缝拼接，构建一个整体模型。

5、工程数量计算4-5。基于路基和地形整体模型，按设计模型与地面模型及其相互关系，计算路基断面的面积、路基填方或挖方体积等工程数量。

6、设计图表输出4-6。对设计最终成果进行设计图、表的输出。

Claims (1)

1.一种基于高分辨卫星影像的公路测设方法，其步骤是：

第一步，高分辨率卫星影像数据采集设计(1)：

a、采集范围的确定，在1∶50,000地形图上，标注出路线方案或方案走廊带范围的区域；采集范围应覆盖所有的方案或走廊带范围；宽度至少5km；

b、高分辨率卫星及传感器的选择，选择高分辨率卫星及传感器；

c、扫描方式的选择，除正常的扫描方式外，利用卫星的侧摆能力和传感器姿态变化，用同一轨道顺路线方向扫描采集地面数据；

第二步，地面控制点的布设和测量(2)，步骤如下：

1、坐标基准设计，平面坐标为1980西安坐标系或者1954北京坐标系或地方坐标系，高斯投影，GPS测量采用WGS-84坐标基准，高程基准采用1985高程基准；

2、地面控制点测量精度设计，地面控制点测量平面精度不低于0.1m；地面控制点高程精度不低于0.2m；地面控制点刺点误差和孔径不大于0.1mm；

3、地面控制点点位的布设，在路线走廊范围内，沿路线方案布设地面控制点，相邻地面控制点间距不超过10km，地面控制点的选择在高分辨率卫星影像进行设计，然后选择适宜于GPS观测的具体点位并进行标定；

4、地面控制点的刺点与整饰，地面控制点刺于影像图上，刺透，不得有双孔，刺点片正面做直径为7mm的圆圈整饰，并注记点名；刺点片反面绘制点位略图，注上点名、刺点位置和比高、刺点者、检查者及刺点日期；

5、地面控制点的测量，地面控制点的平面测量采用GPS静态定位测量，构成网状图形结构；联测的高等级控制点分布均匀，不低于3个，地面控制点的高程测量按五等水准测量要求进行；

第三步，卫星影像的数据处理(3)，步骤如下：

1、连接点的量测(3-1)，利用徕卡遥感及摄影测量系统中的连接点自动匹配，获得立体卫星影像间的同名点，待自动匹配完成后，对连接点的匹配结果进行检查，剔除错误的匹配点，对于匹配失败的地区，人工补测连接点，保证连接点的数量和合理的分布；

2、卫星影像区域网预平差(3-2)，根据高分辨率卫星影像有理多项式参数，利用徕卡遥感及摄影测量系统中Core模块的平差加密功能，进行卫星影像区域网预平差，消除各立体模型间的上下视差；

3、无地面控制点时，执行本步骤中的(第7)步；

4、地面控制点的量测(3-3)，在立体量测环境下，参照控制点的点位，进行地面控制点像方坐标的量测；

5、带地面控制点的卫星影像区域网平差(3-4)，利用已知的地面控制点测量成果，再次利用徕卡遥感及摄影测量系统中Core模块的平差加密功能，并设置像方补偿模型，解算卫星影像对应的像方补偿系数；

6、1∶2,000数字地面模型、数字正射影像图和数字线划地形图生成：

A、利用徕卡遥感及摄影测量系统自动提取数字地面模型模块，从立体卫星影像自动生成1∶2,000初步数字地面模型，利用徕卡遥感及摄影测量系统数字地面模型编辑模块对其进行编辑，加点、删点，添加特征点和线、平面区域置平等，生成1∶2,000数字地面模型(3-5)；

B、通过徕卡遥感及摄影测量系统的Core模块进行正射校正，自动生成1∶2,000数字正射影像图(3-6)；

C、利用徕卡遥感及摄影测量系统数字测图模块和MicroStation v8的交互式特征采集，对数字地面模型生成的等高线进行编辑，辅助以电力线、植被类型、地名、河流名调绘，并完成道路、房屋、桥梁、水系地物的绘制，生成1∶2,000数字线划地形图(3-7)；

在完成1∶2,000比例尺成果后，直接进入第四步，进行初步设计阶段的路线CAD设计；

7、1∶10,000数字地面模型、数字正射影像图和数字线划地形图生成：

A、采用上步骤6中A相同的方法，生成数字地面模型(3-8)，其精度达到1∶10,000比例尺；

B、采用上步骤6中B相同的方法，自动生成数字正射影像图(3-9)，其精度达到1∶10,000比例尺；

C、采用上步骤6中C相同的方法，生成数字线划地形图(3-10)，其精度达到1∶10,000比例尺；

第四步，公路CAD协同设计(4)：获得的1∶10,000或1∶2,000比例尺卫星测量成果，进行公路路线CAD协同设计，1∶10,000比例尺成果适用于工程可行性研究；1∶2,000比例尺成果适用于路线初步设计；步骤如下：

1、平面设计(4-1)，基于1∶2,000数字地面模型(3-5)或1∶10,000数字地面模型(3-8)、1∶2,000数字正射影像图(3-6)或1∶10,000数字正射影像图(3-9)和1∶2,000数字线划地形图(3-7)或1∶10,000数字线划地形图(3-10)，根据交点法、线元法完成公路路线平面设计(4-1)；

2、纵断面设计(4-2)，根据1∶2,000数字地面模型(3-5)或1∶10,000数字地面模型(3-8)自动生成纵断面线，采用动态无序拉坡、竖曲线交互设计纵断面设计方法完成纵断面设计(4-2)；

3、横断面设计(4-3)，根据1∶2,000数字地面模型(3-5)或1∶10,000数字地面模型(3-8)自动生成横断面地面线，采用横断面模板、路基边沟排水设计横断面设计方法完成横断面设计(4-3)；

4、路基设计模型与数字地面模型叠加(4-4)，平面设计(4-1)、纵断面设计(4-2)、横断面设计(4-3)完成后，生成路基设计模型，并与1∶2,000数字地面模型(3-5)或1∶10,000数字地面模型(3-8)叠加融合，形成路基模型与地面模型的无缝拼接，构建一个整体模型；

5、工程数量计算(4-5)，基于路基和地形整体模型，按设计模型与地面模型及其相互关系，计算路基断面的面积、路基填方或挖方体积；

6、设计图表输出(4-6)，对设计最终成果进行设计图、表的输出。

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