CN101914890A - 一种基于机载激光测量的公路改扩建勘测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机载激光测量的公路改扩建勘测方法，步骤如下：A、根据设计路线方案，以直升机为平台，采用激光测量进行既有道路信息采集，并进行飞行任务设计；B、路面控制点的布设和测量；C、利用激光点的强度信息，采用人机交互的方式，提取精确的车道线；D、利用路面控制点和提取的车道线，对原始路面激光点数据的平面、高程进行精化，同时完成所提取车道线激光点数据的精化；E、既有道路形态要素拟合和恢复。本发明方法在不中断交通的情况下实现了公路改扩建工程建设所需三维空间信息的快速、精确获取，代替人工上路测量，最大程度保证测量人员的人身安全，极大降低了野外工作量，大大提高了作业效率，具有显著的经济和社会效益。

Description

一种基于机载激光测量的公路改扩建勘测方法

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机载激光测量的公路改扩建勘测方法，该方法可以自动获取既有道路精确的三维空间信息，代替人工上路测量，可满足在不中断交通情况下的公路改扩建建设的需要。

背景技术

自上世纪八十年代以来，我国高速公路的建设蓬勃发展，迄今已有近三十个年头。然而，随着社会经济的持续快速发展，高速公路的交通量日益增长，不少早期建成的高速公路已不能完全满足当今交通量发展的需要，如沈大、广佛、沪宁、京津塘和京港澳等高速公路，从而制约经济、社会发展。预计未来五到十年内，距今五年前建成通车的超过四万公里的高速公路中，至少有三分之一的公路将因设计标准偏低、道路拥挤等问题而需要进行扩容改造。既有公路的改扩建，已成为交通建设的主要任务之一。

公路及其附属结构等三维信息的精确获取是公路改扩建的重要前提。对于公路改扩建工程，为了最大限度地利用现有道路路面，实现桥梁、路基等构造物的精确拼接，相比于新建道路工程，其对测量精度有更高的要求。当今，我国现有公路改扩建主要采用航空摄影测量辅之于GPS RTK测量和精密水准测量的方法，主要存在如下缺陷：

1)大量的人工上路测量，安全存在巨大隐患：需要携带测量仪器进行上路测量，与路面快速行驶的车辆极易酿成交通事故，构成重大安全隐患；

2)干扰正常交通秩序：由于需要人工上路测量，且测量点位分布于道路的不同构成部分，无法避免对正常道路交通秩序的干扰；

3)测量工作量大：需根据一定的断面间距，对每个断面的道路中央隔离带、路面、路基边界、边坡等多个测量点位进行人工测量，工作量相当之大；

4)测量进度缓慢：人工测量效率低，且易受路况、天气等条件制约；

5)测量成本高：由于需要进行大量野外作业，人力和物力成本较高。

不难发现，现有的公路改扩建测量技术在效率、安全和成本等方面均难以适应日益增长的公路改扩建需求。如何在不中断交通的情况下，对现有公路安全、快速、经济地进行高精度测量，为公路改扩建提供精确、丰富和完整的信息支持，已成为现有公路改扩建的重要问题。

近年来，随着技术的不断进步，各种商用的机载激光传感器、定位定姿系统(POS)等器件的精度越来越高。此外，以直升机作为激光数据获取空中平台，可采用更低的飞行高度、更慢的飞行速度采集数据，能够获取更为精确、密集的激光点云。再辅之于一定数量的路面控制点，可以在不中断交通的情况下获取现有公路改扩建工程所需的三维信息。为此，将基于直升机激光测量引入到公路勘察设计领域，用于公路改扩建工程建设，代替人工上路测量，具有重要的现实意义。

发明内容

本发明方法针对现有的基于航空摄影测量、GPS RTK测量和精密水准测量的道路改扩建勘测方法中存在的缺陷，提供了一种基于机载激光测量的公路改扩建勘测方法，在不中断交通的情况下，实现现有道路精确三维信息的自动获取，代替人工上路测量，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：

一种基于机载激光测量的公路改扩建勘测方法，其步骤如下：

1)直升机激光测量数据采集设计：根据道路改扩建路线方案，以直升机为平台，采用激光测量进行既有道路信息采集，并进行任务设计，如飞行高度、飞行速度和飞行航线等；

2)路面控制点的布设和测量：沿路线每侧1km布设一个路面控制点，且尽量在公路左右两侧交错进行，同时采用专门设计的“T”形标记和特殊的反光材料喷绘对其标记，路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。路面控制点的高程测量采用精密水准测量。路面控制点的平面和高程测量均按四等测量精度要求施测；

3)车道线激光点的提取：利用激光点的强度信息，采用人机交互的方式，提取精确的车道线；

4)激光数据的精化处理：利用路面控制点和提取的车道线，对原始路面激光点数据的平面坐标、高程坐标进行精化，同时完成所提取车道线激光点数据的精化；

5)利用路面激光测量结果和提取的车道线激光点，对既有道路形态要素进行拟合和恢复。

与现有技术相比，本发明方法的优点和效果主要表现在：

1)可以在不中断交通的情况下实现现有道路精确的三维信息提取，其精度可以满足公路改扩建建设的要求；

2)可以代替人工上路测量，最大程度保证测量人员的人身安全；

3)利用直升机进行激光测量，不仅作业方式灵活，而且可以快速获取公路沿线海量的三维信息，相比人工上路测量，可以极大提高作业效率；

4)相比于车载激光测量，本发明可以同时精确获取路面及护栏以外的丰富、完整的高精度三维信息，有利于路线方案的设计和比选。

附图说明

图1为本发明的一种基于机载激光测量的公路改扩建勘测方法的流程图；

图2为本发明方法中路面控制点的形状尺寸示意图，单位：mm；

图3为本发明方法中路面控制点的分布示意图；

图4为本发明方法中利用路面控制点构建的高程误差改正示意图；

其中：控制点A、控制点B、控制点C、控制点I、控制点II、控制点III、控制点IV、控制点V和控制点VI均为路面控制点；虚拟控制点I、虚拟控制点II、虚拟控制点III和虚拟控制点IV均为虚拟控制点。

具体实施方式

下面通过具体的实施方式，结合附图对本发明方法做进一步的详细描述。

一种基于机载激光测量的公路改扩建勘测方法，其流程图如图1所示。

实施过程中执行的标准和规范有：

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《1:500，1:1000，1:2000比例尺地形图航空摄影规范》(GB/T6962-2005)

国家测绘局《IMU-DGPS辅助航空摄影技术规定》(试行)

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)

中华人民共和国交通部《公路勘测规范》(JTG C10-2007)

中国民用航空总局、国家测绘局《航空摄影技术设计规范》 (GB/T19294-2003)

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)

具体步骤详细阐述如下：

①直升机激光测量数据采集设计

根据道路改扩建路线方案，以直升机为平台，采用激光测量进行既有道路信息采集，并进行任务设计，如飞行高度、飞行速度和飞行航线等。具体实施方法如下：

a、坐标基准设计。平面坐标为1980西安坐标系或者1954北京坐标系或当地坐标系。采用高斯投影，中央子午线为测区中心的经线。GPS测量采用WGS84坐标基准。高程基准采用1985国家高程基准或其他高程基准；

b、数据精度设计。确定激光雷达测量数据成果的平面精度优于0.15m，高程精度优于0.10m，激光点密度高于10个/m²，数字地面模型(DEM)的格网间距为0.5m，数字正射影像图(DOM)的地面分辨率为0.10m；

c、根据激光雷达（以下简称LIDAR）设备的激光束性能和激光点密度等指标，确定直升机的飞行高度和飞行速度。为了获取更为精确和密集的原始激光点云数据，飞行高度设计为200m~300m，飞行速度设计为小于100km/h；

d、CCD相机成像时，为测图需要，像片航向重叠度不低于60%，旁向重叠度不低于30%；

e、按LIDAR设备的激光扫描偏角，设计飞行覆盖宽度和飞行方向，综合路线方案，确定覆盖的航带个数和航带长度。激光数据至少覆盖路线方案外侧500m范围；

f、为保证数据质量，每个架次在飞行任务开始前或者飞行任务结束后，对仪器设备进行检校飞行。检校包括主检校和次检校，主检校主要是在测区附近选取1平方公里地物较突出的区域，设计6条交叉航线进行飞行，并在区域四角和中央分别布设一个地面控制点，对LIDAR设备进行检校；次检校是指设计1公里左右长的航线进行来回飞行对LIDAR设备进行检校；

g、GPS基站布设设计。在测区沿路线方向，每间隔不大于20km布设一个GPS基站。在进行飞行作业的同时，所有的GPS基站均开机进行同步观测，且需在飞机起飞前5分钟完成架设和打开GPS接收机，在飞机停机后5分钟关闭GPS接收机；

h、严格遵守飞行规定，如转弯坡度不能超过20度，连续飞行不同航线时必须采用左转弯和右转弯交替方式、航路时间大于30分钟时需要转个n字形弯才能开始正式测线航飞等，进行激光数据的采集。

②路面控制点的布设和测量

为进一步完善路面激光点云的精度，沿现有道路路面布设一定数量的路面控制点。具体实施步骤如下：

a、路面控制点的制作。其形状尺寸大小如图2所示，路面控制点为“T”字形标记，长度、宽度分别为1.0m和0.5m，图2中，两条斜线的交叉点即为控制点的中心位置；

b、路面控制点点位的布设。如图3所示，在路线走廊范围内，沿道路每侧1km布设1个路面控制点，且尽量在公路左右两侧护栏路缘交错排列。其“T”字形长边靠近护栏，位于离路缘石约0.2m的硬路肩上。在布设过程中，采用特殊的反光材料，如添入荧光剂的油漆，按步骤a中所述形状、尺寸喷绘或涂绘，对其进行标记；

c、路面控制点的测量。路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。路面控制点的高程测量采用精密水准测量。路面控制点的平面和高程测量均按四等测量精度要求施测。

③车道线激光点的提取

利用TerraSolid软件对车道线激光点进行提取。具体实施步骤如下：

a、首先分析车道线激光点的激光回波强度值范围，并确定合适的阈值。然后，利用TerraSolid软件的TerraScan模块中By Indensity分类功能提取出强度信息大于该阈值的激光点作为车道线激光点的备选点；

b、采用人机交互的方式，利用Microstation软件中的Smart Line工具勾画出车道线的近似平面位置；

c、使用步骤a中提取的备选点，利用TerraScan模块中Fit Linear Element功能对车道线进行精确的拟合。拟合模型选为Smooth Curvature，参与拟合激光点到初始线条的平面容许误差设为0.5m；

d、使用步骤c中拟合出的精确的车道线，利用TerraScan模块的By Centerline功能，提取精确车道线左右两侧0.02m范围内的激光点；

e、对步骤d中提取的激光点顺序排列，使相邻点距离不小于2m，输出最终的车道线激光点并记录。

④激光数据的精化处理

为进一步提高路面激光点云的定位精度，采用路面控制点和精确获取的车道线，按照先平面再高程的顺序对路面激光测量的激光点进行精化处理。具体实施步骤如下：

a、激光点平面坐标的精化。

Ⅰ、获取路面控制点的数字正射影像图平面坐标。路面控制点，“T”字形标记，具有明显的影像特征。在数字正射影像对其进行精确定位，获取对应的平面坐标；

Ⅱ、数字正射影像平面坐标的修正。采用沿路线分段修正的方式进行，在每个分段内，利用路面控制点的数字正射影像图平面坐标和实测的平面坐标，计算两者之间的平移、旋转几何变换系数，利用该系数完成数字正射影像平面坐标的修正；

Ⅲ、激光点与数字正射影像图的配准。首先，在修正后的数字正射影像图上精确读取车道线的平面坐标，然后利用步骤③中通过激光点云强度信息提取的对应车道线平面坐标，计算两者之间的平移、旋转几何变换系数，实现激光点和数字正射影像图的配准；

Ⅳ、激光点平面坐标的修正。利用步骤Ⅲ中计算的系数，对激光点平面坐标进行平移和旋转，实现了激光点平面坐标和步骤③中提取的车道线平面坐标的修正；

b、激光点高程坐标的精化。

Ⅰ、计算路面控制点处激光测量与实测的高程差值。首先利用路面控制点的平面坐标                                                

，定位与之距离最近的激光点，取该激光点的高程值作为该路面控制点处的激光测量高程。将其与路面控制点实测高程比较，得到路面控制点处对应的高程差值；

Ⅱ、高程误差改正模型的建立。为使得建立的三角网能够覆盖所有激光点云数据，将自动生成路面激光点云数据最小包络矩形的四个顶点，对应图4中的四个虚拟路面控制点。这些顶点的高程差值

取与之距离最近的路面控制点的高程差值。最后以路面控制点和四个虚拟路面控制点的平面坐标

和高程差值构成三角网，建立高程误差改正模型；

Ⅲ、激光点高程值的修正。对测区范围的每个激光点，首先利用其平面坐标

，定位其在高程误差改正模型中的三角形。设三角形三个顶点对应的路面控制点坐标分别为

、和

，假设三角形范围内高程变化位于同一个平面内，建立方程

                                      (1)

则其内插高程误差

可按公式(2)计算得到,

              (2)

利用

对激光点的高程值进行修正，从而完成路面激光点云高程的精化；

Ⅳ、车道线激光点高程值的修正。采用步骤Ⅲ中所述的方法，求取车道线激光点的高程改正值，对其高程进行精化，最终完成步骤③中提取的车道线的更新。

⑤既有道路形态要素的拟合和恢复

利用路面激光测量结果和提取的车道线激光点，可以对既有道路形态要素进行拟合和恢复，具体步骤如下：

a、平面要素拟合与恢复。利用步骤④中精化后的车道线激光点数据，并参照既有公路原有的平面设计文件，定位出平面要素变化点，如直缓点、缓直点、直圆点、圆直点、缓圆点、圆缓点等，并分别以直线、圆曲线和缓和曲线的参数进行拟合，得出平面设计的技术要素；

b、纵面要素拟合与恢复。利用步骤④中精化后的车道线激光点数据，并参照既有公路原有的纵断面设计文件，对纵坡、纵坡长度和使用竖曲线的参数进行拟合，得出纵面设计的技术要素；

c、横断面要素拟合与恢复：利用步骤④中精化后的路面激光测量结果和车道线激光点数据，对路面组成部分的宽度、横向坡度等参数进行拟合，并对路基边坡的坡度、坡脚位置等进行拟合，得出既有道路横断面设计技术要素。

Claims (1)

1.一种基于机载激光测量的公路改扩建勘测方法，其特征在于，步骤如下：

①直升机激光测量数据采集设计

根据道路改扩建路线方案，以直升机为平台，采用激光测量进行既有道路信息采集，并进行飞行任务设计，方法如下：

a、坐标基准设计：平面坐标为1980西安坐标系或1954北京坐标系或当地坐标系，采用高斯投影，中央子午线为测区中心的经线，GPS测量采用WGS84坐标基准，高程基准采用1985国家高程基准或其他高程基准；

b、数据精度设计：确定激光雷达测量数据成果的平面精度优于0.15m，高程精度优于0.10m，激光点密度高于10个/m²，数字地面模型的格网间距为0.5m，数字正射影像图的地面分辨率为0.10m；

c、根据LIDAR设备的激光束性能和激光点密度等指标，确定直升机的飞行高度和飞行速度；

d、CCD相机成像时，像片航向重叠度不低于60%，旁向重叠度不低于30%；

e、按LIDAR设备的激光扫描偏角，设计飞行覆盖宽度和飞行方向，综合路线方案，确定覆盖的航带个数和航带长度，激光数据至少覆盖路线方案外侧500m范围；

f、每个架次在飞行任务开始前或者飞行任务结束后，对仪器设备进行检校飞行；

g、GPS基站布设设计：在测区沿路线方向，以每间隔不大于20km布设一个GPS基站，在进行飞行作业的同时，所有的GPS基站均开机进行同步观测，在飞机起飞前5分钟完成架设和打开GPS接收机，在飞机停机后5分钟关闭GPS接收机；

h、严格遵守相关飞行规定，进行激光数据的采集；

②路面控制点的布设和测量

a、路面控制点的制作：路面控制点为T字形标记，长度、宽度分别为1.0m和0.5m；

b、路面控制点点位的布设：在路线走廊范围内，沿道路每侧1km布设1个路面控制点，且在公路左右两侧护栏路缘交错排列，T字形的长边靠近护栏，位于离路缘石约0.2m的硬路肩上，在布设过程中，采用反光材料，按步骤a中所述形状、尺寸喷绘或涂绘，对其进行标记；

c、路面控制点的测量：路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；路面控制点的高程测量采用精密水准测量；路面控制点的平面和高程测量均按四等测量精度要求施测；

③车道线激光点的提取

利用TerraSolid软件对车道线激光点进行提取，具体实施步骤如下：

a、首先分析车道线激光点的激光回波强度值范围，并确定合适的阈值，然后，利用TerraSolid软件的TerraScan模块中By Indensity分类功能提取出强度信息大于该阈值的激光点作为车道线激光点的备选点；

b、采用人机交互的方式，利用Microstation软件中的Smart Line工具勾画出车道线的近似平面位置；

c、使用步骤a中提取的备选点，利用TerraScan模块中Fit Linear Element功能对车道线进行精确的拟合；

d、使用步骤c中拟合出的精确的车道线，利用TerraScan模块的By Centerline功能，提取精确车道线左右两侧0.02m范围内的激光点；

e、对步骤d中提取的激光点顺序排列，使相邻点距离不小于2m，输出最终的车道线激光点并记录；

④激光数据的精化处理

为进一步提高路面激光点云的定位精度，采用路面控制点和精确获取的车道线，按照先平面再高程的顺序对路面激光测量的激光点进行精化处理，步骤如下：

a、激光点平面坐标的精化

Ⅰ、获取路面控制点的数字正射影像图平面坐标：路面控制点和T字形标记都具有明显的影像特征，在数字正射影像对其进行精确定位，获取对应的平面坐标；

Ⅱ、数字正射影像平面坐标的修正：采用沿路线分段修正的方式进行，在每个分段内，利用路面控制点的数字正射影像图平面坐标和实测的平面坐标，计算两者之间的平移、旋转几何变换系数，利用该系数完成数字正射影像平面坐标的修正；

Ⅲ、激光点与数字正射影像图的配准：首先，在修正后的数字正射影像图上精确读取车道线的平面坐标，然后利用步骤③中通过激光点云强度信息提取的对应车道线平面坐标，计算两者之间的平移、旋转几何变换系数，实现激光点和数字正射影像图的配准；

Ⅳ、激光点平面坐标的修正：利用步骤Ⅲ中计算的系数，对激光点平面坐标进行平移和旋转，实现激光点平面坐标和步骤③中提取的车道线平面坐标的修正；

b、激光点高程坐标的精化 

Ⅰ、计算路面控制点处激光测量与实测的高程差值：首先利用路面控制点的平面坐标                                               

，定位与之距离最近的激光点，取该激光点的高程值作为该路面控制点处的激光测量高程，将其与路面控制点实测高程比较，得到路面控制点处对应的高程差值

；

Ⅱ、高程误差改正模型的建立：为使得建立的三角网能够覆盖所有激光点云数据，将自动生成路面激光点云数据最小包络矩形的四个顶点，对应四个虚拟路面控制点，这些顶点的高程差值取与之距离最近的路面控制点的高程差值，最后以路面控制点和四个虚拟路面控制点的平面坐标

和高程差值

构成三角网，建立高程误差改正模型；

Ⅲ、激光点高程值的修正：对测区范围的每个激光点，首先利用其平面坐标

，定位其在高程误差改正模型中的三角形，设三角形三个顶点对应的路面控制点坐标分别为、

和

，假设三角形范围内高程变化位于同一个平面内，建立方程

                                       

则其内插高程误差

可按如下公式计算得到：

               

利用

对激光点的高程值进行修正，从而完成路面激光点云高程的精化；

Ⅳ、车道线激光点高程值的修正：采用步骤Ⅲ中所述的方法，求取车道线激光点的高程改正值，对其高程进行精化，最终完成步骤③中提取的车道线的更新；

⑤既有道路形态要素的拟合和恢复

a、平面要素拟合与恢复：利用步骤④中精化的车道线激光点数据，并参照既有公路原有的平面设计文件，定位出平面要素变化点，如直缓点、缓直点、直圆点、圆直点、缓圆点、圆缓点等，并分别以直线、圆曲线和缓和曲线的参数进行拟合，得出平面设计的技术要素；

b、纵面要素拟合与恢复：利用步骤④中精化的车道线激光点数据，并参照既有公路原有的纵断面设计文件，对纵坡、纵坡长度和使用竖曲线的参数进行拟合，得出纵面设计的技术要素；

c、横断面要素拟合与恢复：利用步骤④中精化后的路面激光测量结果和车道线激光点数据，对路面组成部分的宽度、横向坡度等参数进行拟合，并对路基边坡的坡度、坡脚位置等进行拟合，得出既有道路横断面设计技术要素。

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