CN105740505A - 一种基于gps-rtk技术的道路空间线形恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GPS?RTK技术的道路空间线形恢复方法，首先将GPS?RTK定位系统安装在车辆上，驱使车辆沿待测道路同一车道行驶，利用GPS?RTK定位系统采集道路线形的三维坐标数据，再利用Excel对GPS数据进行筛选、分类，然后通过MATLAB对直线段、圆曲线、缓和曲线进行拟合，得到相关参数；最后以CAD辅助设计软件为平台进行道路空间线形的成图，得到平面图及纵断面图，完成道路空间线形的恢复和可视化。本发明通过MATLAB与CAD辅助设计软件对道路线形数据的拟合处理与图形、参数输出集成处理，简单易操作，能够快速、精准的完成道路空间线形的恢复和可视化。

Description

一种基于GPS-RTK技术的道路空间线形恢复方法

技术领域

本发明涉及一种基于GPS-RTK技术的道路空间线形恢复方法，属于道路线形的恢复技术，可以在不具备设计资料的情况下获得道路空间线形进行旧路改造、行车安全分析、行车速度分析等各项工作。

背景技术

恢复已有道路的空间线形资料是一项十分重要的工作，无论是对现有道路进行改、扩建，还是进行线形评价、事故调查、速度分析等各项工作，道路空间线形资料是最基础的资料，但由于时间跨度长，涉及单位多，设计变更以及我国在道路建设管理体制上存在的问题，这些道路空间线形资料往往是不具备的，且即使存在设计资料，由于养护维修等原因，现有资料与原设计资料并不完全一致，这就需要对道路空间线形恢复技术进行研究，以便能够在不影响现有交通的情况下，精准、便捷地恢复道路空间线形，进行道路后续的各项建设和研究工作。

道路线形的恢复首先要对道路线形进行数据采集，传统的数据采集方式主要是通过人工采集数据或进行实地勘测记录采集数据，不仅效率低下，且劳动强度很高，外业工作人员受天气、气温等影响很大，并且会对现有交通形成影响。同时人工勘测采集数据产生的误差有相当一部分来自于数据记录时的观测误差，因而人工采集数据的方式并不适宜大范围、高精度的道路线形数据采集工作。

GPS卫星全球定位系统作为新兴技术被广泛应用到军事、导航调度、地质勘探、测绘、开发等多种领域。GPS定位包括单点定位和差分定位两种，在大地测量或工程测量中采用差分定位，以确保一定的精度。同时GPS定位系统操作十分简便，只需连接电缆线，安置好仪器，在数据采集时观测即可。GPS定位系统或车载GPS定位系统可用于道路线形数据的采集工作，以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK(Real-time kinematic)实时动态差分法能够在野外实时得到厘米级定位精度的数据，它采用了载波相位动态实时差分方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。

数据采集是道路空间线形恢复的第一步，如何将GPS采集到的道路线形三维坐标数据进行拟合处理，完成道路空间线形的恢复才是关键所在。传统的道路线形恢复方法不仅采集数据周期长、成本高，要保证高精度的完成也要依赖外业工作人员具有较高的专业素质；在进行数据处理成图时工作量也比较繁重。

综上可知，提出一种高效率、高精度、不影响现有交通的道路空间线形恢复方法是十分必要的。从数据采集到数据处理、道路空间线形的恢复和成图的一体化高度集成处理对于完善道路设计资料，完成旧路改建、线形评价等各项工作有很大的实际意义，

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于GPS-RTK技术的道路空间线形恢复方法，能够快速高效的采集数据并进行精准的批量拟合，最终得到准确的道路线形，极大的提高工作效率，将数据采集、处理和最终成图工作高度集成，在满足精度的前提下实现简易操作。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于GPS-RTK技术的道路空间线形恢复方法，首先将GPS-RTK定位系统安装在车辆上，驱使车辆沿待测道路同一车道行驶，利用GPS-RTK定位系统采集道路线形的三维坐标数据，再利用Excel对GPS数据进行筛选、分类，然后通过MATLAB对直线段、圆曲线、缓和曲线进行拟合，得到相关参数；最后以CAD辅助设计软件为平台进行道路空间线形的成图，得到平面图及纵断面图，完成道路空间线形的恢复和可视化。

所述GPS-RTK定位系统实时采集并存储道路线形的三维坐标数据和行车速度，要求GPS-RTK定位系统所测三维坐标数据中X、Y坐标精度达到0.02m，Z坐标精度应达到0.01m。

具体的，利用Excel对GPS数据进行筛选、分类，是指通过Excel计算逐点的曲率值，通过直线段、圆曲线和缓和曲线段的曲率值不同来进行GPS数据的筛选和分类；包括如下步骤：

(1)由于GPS-RTK定位系统精度较高，周期很短，可能会出现两点坐标相同的情况，因此对GPS-RTK定位系统采集到的三维坐标点，应当首先剔除坐标相同的点，否则容易部分点的曲率值难以获得，影响MATLAB的成图；

(2)根据下式计算点B(x₂,y₂,z₂)的曲率值K：

$K=\frac{\left|\left(\begin{array}{c}\frac{y_3-y_2}{x_3-x_2}-\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1}\\ x_2-x_1\end{array}\right)\right|}{{\[1+{\left(\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1}\right)}^2\]}^{\frac{3}{2}}}$

其中：点A(x₁,y₁,z₁)和点C(x₃,y₃,z₃)为与点B(x₂,y₂,z₂)相邻的前后两个点；

(3)初步剔除曲率值跳变的点(先从视觉上大体判断线形，根据线形及经验判断是否为曲率值跳变的点，即判断是否为误差较大的点)，对连续的若干点：①若该连续的若干点的曲率值相对于零值在误差阈值范围内波动，则判断该连续的若干点在一条直线上，剔除曲率值相对于零值跳变的点；②若该连续的若干点的曲率值相对于某一个固定值在误差阈值范围内波动，则判断该连续的若干点在一条圆曲线上，剔除曲率值相对于固定值跳变的点；③若该连续的若干点的曲率值不为情况①和情况②，则判断该连续的若干点在一条缓和曲线上，将该连续若干点的曲率进行线性拟合，剔除曲率值相对于拟合直线跳变的点。

具体的，通过MATLAB对直线段、圆曲线、缓和曲线进行拟合，得到相关参数，是指通过MATLAB的曲线拟合工具将筛分后的直线和圆曲线进行拟合，分别得到直线段的起讫点坐标和里程，圆曲线段的圆心坐标、半径、起讫点坐标和曲线长，最后以MATLAB为平台利用已得到的直线段和圆曲线段参数计算得到缓和曲线段的长度；

缓和曲线段的长度l按照如下方法计算：

①若缓和曲线段的两端分别为直线段和圆曲线段，计算圆曲线段的圆心到直线段的垂直距离r，圆曲线段的半径为R，若p小于设定阈值，则忽略该缓和曲线段，认为直线段和圆曲线段之间不存在缓和曲线段；

②若缓和曲线段的两端均为圆曲线段，且两个圆曲线段的半径分别为R₁和R₂， $l=\sqrt{24p\frac{R_1{R}_2}{|R_1-R_2|}}=\sqrt{24\left(\right|R_1-R_2|-l_0)\frac{R_1{R}_2}{|R_1-R_2|}},$ l₀为两个圆曲线段的圆心之间的间距；若p小于设定阈值，则忽略该缓和曲线段，认为直线段和圆曲线段之间不存在缓和曲线段。

具体的，运用CAD辅助设计软件根据MATLAB拟合得到的直线段、圆曲线和缓和曲线段相关参数进行成图，得到道路平面图，并进行桩号初始化；整理道路平面图上的测试点的三维坐标，根据初始化的桩号和Z坐标，进行纵断面成图，从而完成道路空间线形的恢复和可视化。由于纵断面的成图不仅需要桩号，还需要相应点的高程值，故选取所成道路平面图中在线形上的点，根据这些点的三维坐标来计算桩号，再根据其相应的高程进行纵断面成图，这就造成桩号的不规律性，但从最大程度上还原了该道路的纵断面，精确度较高。

有益效果：本发明提供的基于GPS-RTK技术的道路空间线形恢复方法，相对于现有技术，具有如下优点：

1、本发明针对日渐繁重的道路线形恢复问题，提出一套完整、高效、高精度的道路空间线形恢复方法，利用高精度的设备和广泛使用的软件平台进行集成式的数据处理和成果输出，极大的减少了人工工作量，在保证高精度的前提下大幅度提高工作效率，对于国家道路交通网的建设和完备具有积极意义；

2、本发明提出的道路线形数据采集方式不受天气及气温影响，工作人员在车内即可采集，免受风吹日晒之苦，操作简单，极大的提高了工作效率，且能够保证很高的精度，且不需要封闭交通，对现有交通没有任何影响；

3、本发明提出的以MATLAB软件为平台进行直线段、圆曲线的拟合和缓和曲线长度的计算，使大量数据的拟合处理、误差剔除和成图工作在MATLAB一款软件中即可完成，提高工作效率；

4、本发明提出的以CAD辅助设计软件为平台进行道路平面图、纵断面图的成图，无需格式转化，可高效率的完成道路空间线形的恢复工作，并将其可视化。

附图说明

图1为曲率计算示意图；

图2为MATLAB线性拟合直线段示意图；

图3为平面线形的曲率示意图；

图4为平面线形特征点确定示意图；

图5为缓和曲线段的两端分别为直线段和圆曲线段示意图；

图6为缓和曲线段的两端均为圆曲线段示意图；

图7为道路空间线形平面图的恢复示意图；

图8为GPS-RTK定位系统的安置示意图；

图9为本发明的实施流程示意图；

图10为平面线形指标参数计算示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

基于GPS-RTK技术的道路空间线形恢复方法，首先将GPS-RTK定位系统安装在车辆上，驱使车辆沿待测道路同一车道行驶，利用GPS-RTK定位系统采集道路线形的三维坐标数据，再利用Excel对GPS数据进行筛选、分类，然后通过MATLAB对直线段、圆曲线、缓和曲线进行拟合，得到相关参数；最后以CAD辅助设计软件为平台进行道路空间线形的成图，得到平面图及纵断面图，完成道路空间线形的恢复和可视化。该方法具体包括如下步骤：

(1)选定一辆性能良好稳定的小型汽车，将GPS-RTK定位系统安装在小型汽车的后座左侧位置(如图1所示)，并予以固定，保证其在行驶过程中的稳定性；

(2)在GPS-RTK定位系统的有效工作范围内进行测试，为保证行驶的横向稳定性及驾驶安全，宜选择能见度较高的天气，在待测道路交通量较小的非高峰期进行数据采集；

(3)开启GPS-RTK定位系统，精度达到要求即可开始数据采集，在车辆行驶过程中，为保证道路线形的流畅及数据采集的高精度，车辆行驶过程中尽量保持该道路的运行速度，且在同一车道内行驶，保证行车轨迹与车道线平行，并从同一起点至同一终点，在同一车道线内将该道路线形数据采集3次；

(4)数据采集结束后，将存储GPS数据导入Excel中，进行曲率计算，利用直线段、圆曲线和缓和曲线段的曲率值不同来进行GPS数据的筛选和分类；具体包括如下步骤：

(41)对GPS-RTK定位系统采集到的三维坐标点，首先剔除坐标相同的点；

(42)如图1所示，点B(x₂,y₂,z₂)的曲率值K按如下公式计算：

$K=\frac{\left|\left(\begin{array}{c}\frac{y_3-y_2}{x_3-x_2}-\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1}\\ x_2-x_1\end{array}\right)\right|}{{\[1+{\left(\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1}\right)}^2\]}^{\frac{3}{2}}}$

其中：点A(x₁,y₁,z₁)和点C(x₃,y₃,z₃)为与点B(x₂,y₂,z₂)相邻的前后两个点；

(43)初步剔除曲率值跳变的点，对连续的若干点：①若该连续的若干点的曲率值相对于零值在误差阈值范围内波动，则判断该连续的若干点在一条直线上，剔除曲率值相对于零值跳变的点；②若该连续的若干点的曲率值相对于某一个固定值在误差阈值范围内波动，则判断该连续的若干点在一条圆曲线上，剔除曲率值相对于固定值跳变的点；③若该连续的若干点的曲率值不为情况①和情况②，则判断该连续的若干点在一条缓和曲线上，将该连续若干点的曲率进行线性拟合，剔除曲率值相对于拟合直线跳变的点；

(5)通过MATLAB的曲线拟合工具将筛分后的直线和圆曲线进行拟合，分别得到直线段的起讫点坐标和里程(如图2所示)，圆曲线段的圆心坐标、半径、起讫点坐标和曲线长；

本步骤中，找到直缓点、缓圆点、圆缓点及缓直点等特征点尤为重要；将计算得到的桩号及曲率值在MATLAB中进行成图(如图3所示)，从图4中能够明确看到直缓点、缓圆点、圆缓点及缓直点等特征点，根据特征点的坐标及点号可明确确定相关特征点，即可确定直线段、圆曲线段及缓和曲线段的起讫点坐标；

(6)以MATLAB为平台利用已得到的直线段和圆曲线段参数可以计算得到缓和曲线段的长度，缓和曲线段的长度l按照如下方法计算：

①如图5所示，若缓和曲线段的两端分别为直线段和圆曲线段，计算圆曲线段的圆心到直线段的垂直距离r，圆曲线段的半径为R，若p小于设定阈值，则忽略该缓和曲线段，认为直线段和圆曲线段之间不存在缓和曲线段；

②如图6所示，若缓和曲线段的两端均为圆曲线段，且两个圆曲线段的半径分别为R₁和R₂， $l=\sqrt{24p\frac{R_1{R}_2}{|R_1-R_2|}}=\sqrt{24\left(\right|R_1-R_2|-l_0)\frac{R_1{R}_2}{|R_1-R_2|}},$ l₀为两个圆曲线段的圆心之间的间距；若p小于设定阈值，则忽略该缓和曲线段，认为直线段和圆曲线段之间不存在缓和曲线段。

(7)运用CAD辅助设计软件根据MATLAB拟合得到的直线段、圆曲线和缓和曲线段相关参数进行成图，得到道路平面图，并进行桩号初始化；整理道路平面图上的测试点的三维坐标，根据初始化的桩号和Z坐标，进行纵断面成图，从而完成道路空间线形的恢复和可视化。

使用本发明，能够高效率、高精度的对道路线形参数信息进行采集，且不受外界环境、天气等的影响，对道路交通无影响；将采集的数据转换格式后仅在MATLAB一个平台上即能完成道路线形指标的拟合和参数输出。通过CAD辅助设计软件即可得到道路线形的平面图、纵断面图，实现道路空间线形的恢复成图和可视化处理。本发明给出的一套高效率的道路空间线形恢复方法，操作简单，周期短，成本低，适宜广泛推广使用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于GPS-RTK技术的道路空间线形恢复方法，其特征在于：首先将GPS-RTK定位系统安装在车辆上，驱使车辆沿待测道路同一车道行驶，利用GPS-RTK定位系统采集道路线形的三维坐标数据，再利用Excel对GPS数据进行筛选、分类，然后通过MATLAB对直线段、圆曲线、缓和曲线进行拟合，得到相关参数；最后以CAD辅助设计软件为平台进行道路空间线形的成图，得到平面图及纵断面图，完成道路空间线形的恢复和可视化。

2.根据权利要求1所述的基于GPS-RTK技术的道路空间线形恢复方法，其特征在于：所述GPS-RTK定位系统实时采集并存储道路线形的三维坐标数据和行车速度，要求GPS-RTK定位系统所测三维坐标数据中X、Y坐标精度达到0.02m，Z坐标精度应达到0.01m。

3.根据权利要求1所述的基于GPS-RTK技术的道路空间线形恢复方法，其特征在于：利用Excel对GPS数据进行筛选、分类，是指通过Excel计算逐点的曲率值，通过直线段、圆曲线和缓和曲线段的曲率值不同来进行GPS数据的筛选和分类；具体包括如下步骤：

(1)对GPS-RTK定位系统采集到的三维坐标点，首先剔除坐标相同的点；

(2)根据下式计算点B(x₂,y₂,z₂)的曲率值K：

$K=\frac{\left|\left(\frac{\frac{y_3-y_2}{x_3-x_2}-\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1}}{x_2-x_1}\right)\right|}{{\[1+{\left(\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1}\right)}^2\]}^{\frac{3}{2}}}$

其中：点A(x₁,y₁,z₁)和点C(x₃,y₃,z₃)为与点B(x₂,y₂,z₂)相邻的前后两个点；

(3)初步剔除曲率值跳变的点，对连续的若干点：①若该连续的若干点的曲率值相对于零值在误差阈值范围内波动，则判断该连续的若干点在一条直线上，剔除曲率值相对于零值跳变的点；②若该连续的若干点的曲率值相对于某一个固定值在误差阈值范围内波动，则判断该连续的若干点在一条圆曲线上，剔除曲率值相对于固定值跳变的点；③若该连续的若干点的曲率值不为情况①和情况②，则判断该连续的若干点在一条缓和曲线上，将该连续若干点的曲率进行线性拟合，剔除曲率值相对于拟合直线跳变的点。

4.根据权利要求1所述的基于GPS-RTK技术的道路空间线形恢复方法，其特征在于：通过MATLAB对直线段、圆曲线、缓和曲线进行拟合，得到相关参数，是指通过MATLAB的曲线拟合工具将筛分后的直线和圆曲线进行拟合，分别得到直线段的起讫点坐标和里程，圆曲线段的圆心坐标、半径、起讫点坐标和曲线长，最后以MATLAB为平台利用已得到的直线段和圆曲线段参数计算得到缓和曲线段的长度；

缓和曲线段的长度l按照如下方法计算：

①若缓和曲线段的两端分别为直线段和圆曲线段，计算圆曲线段的圆心到直线段的垂直距离r，圆曲线段的半径为R，若p小于设定阈值，则忽略该缓和曲线段，认为直线段和圆曲线段之间不存在缓和曲线段；

②若缓和曲线段的两端均为圆曲线段，且两个圆曲线段的半径分别为R₁和R₂， $l=\sqrt{24p\frac{R_1{R}_2}{|R_1-R_2|}}=\sqrt{24\left(\right|R_1-R_2|-l_0)\frac{R_1{R}_2}{|R_1-R_2|}},$ l₀为两个圆曲线段的圆心之间的间距；若p小于设定阈值，则忽略该缓和曲线段，认为直线段和圆曲线段之间不存在缓和曲线段。

5.根据权利要求1所述的基于GPS-RTK技术的道路空间线形恢复方法，其特征在于：运用CAD辅助设计软件根据MATLAB拟合得到的直线段、圆曲线和缓和曲线段相关参数进行成图，得到道路平面图，并进行桩号初始化；整理道路平面图上的测试点的三维坐标，根据初始化的桩号和Z坐标，进行纵断面成图，从而完成道路空间线形的恢复和可视化。