激光雷达数据的地面线自动生成办法
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><strong style="color: blue;">点击上方「测绘科学」</strong><strong style="color: blue;">快速关注</strong></p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><strong style="color: blue;">摘 要</strong></p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;">针对公路勘察设计中获取地面线信息效率低、精度低的问题，提出一种新的利用海量高精度激光雷达数据生成设计地面线的<span style="color: black;">办法</span>。该<span style="color: black;">办法</span>采用基于路线<span style="color: black;">方法</span>的索引<span style="color: black;">办法</span>对激光雷达数据进行动态管理，并且结合Microstation平台二次<span style="color: black;">研发</span>，设计并实现了道路设计地面线自动提取的软件工具。<span style="color: black;">经过</span>工程实践<span style="color: black;">显示</span>：利用该<span style="color: black;">办法</span><span style="color: black;">能够</span>进行设计地面线的快速自动提取，<span style="color: black;">加强</span>公路勘测设计的效率，节省外业<span style="color: black;">测绘</span>成本，并实现激光雷达<span style="color: black;">测绘</span>与公路施工图设计的一体化。</p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><strong style="color: blue;">引用格式</strong></p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;">余飞,陈楚江,张霄.激光雷达数据的地面线的自动生成<span style="color: black;">办法</span>．测绘科学，2016，41（11）：89-92,113.</p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><strong style="color: blue;">正文</strong></p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;">在公路勘察设计<span style="color: black;">周期</span>，丰富、准确的设计地面线信息（横断面、纵断面等）的获取，是公路勘测的一项极为重要的工作，其<span style="color: black;">重点</span>是用于路基的设计以及土石方数量的计算。<span style="color: black;">日前</span>主流的<span style="color: black;">办法</span>是利用全站仪或实时差分定位技术(rael-time kinematic, RTK)先放样出中桩，<span style="color: black;">而后</span>再利用RTK测出<span style="color: black;">每一个</span>横断面的高程。然而，这种方式采用单点接触<span style="color: black;">测绘</span>，<span style="color: black;">引起</span>其作业速度较慢，<span style="color: black;">同期</span><span style="color: black;">因为</span>勘测区域内天气、交通以及地形困难程度等自然<span style="color: black;">要求</span>的限制，容易<span style="color: black;">导致</span>测绘成果精度不高，工期难以<span style="color: black;">保准</span>，勘测成本加大的不良后果。</p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;">然则</span>，随着测绘新技术的<span style="color: black;">持续</span>更新和发展，激光雷达（light detection and ranging,LiDAR）技术<span style="color: black;">已然</span>在公路勘察<span style="color: black;">行业</span>展开了相当广泛和成熟的应用。该技术<span style="color: black;">重点</span><span style="color: black;">是由于</span>激光测距、<span style="color: black;">全世界</span>定位系统和惯性导航系统三个技术<span style="color: black;">构成</span>，是一种<span style="color: black;">能够</span>用于精确、快速地获取地面及地物三维空间信息的主动式雷达探测技术。该技术能够穿透植被，有效克服自然环境等<span style="color: black;">原因</span>的影响，可快速采集大面积、高密度以及高精度的空间三维数据，非常有利于高精度地面线的快速提取。</p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;">日前</span>，机载LiDAR技术在地面线提取中都是先利用地面的激光点云数据生成数字高程模型，<span style="color: black;">而后</span>利用数字高程模型再生成<span style="color: black;">各样</span>地面线信息。这种<span style="color: black;">办法</span>虽然达到了快速、<span style="color: black;">有效</span>获取地面线的<span style="color: black;">需求</span>，<span style="color: black;">然则</span>激光点云数据在生成数字高程模型的过程损失了原始的激光点云信息，<span style="color: black;">况且</span>经过两次内插计算，就进一步降低了地面线成果的精度，尤其是在高速公路改扩建工程中，对高速公路两侧边沟等构造物位置处地面线的精度影响<span style="color: black;">很强</span>，且未能清晰表达微地貌变化。针对以上问题，本文提出了一种新的设计地面线生成技术流程，<span style="color: black;">同期</span>基于LiDAR数据设计与实现了设计地面线自动提取原型软件，并开展了应用示范。</p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;">1 技术流程</p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;">在高速公路建设工程中采用LiDAR数据进行地面线提取，其<span style="color: black;">重点</span>的技术流程如图1所示。① 将<span style="color: black;">归类</span>后的海量高密度LiDAR数据进行<span style="color: black;">有效</span>组织和管理；② <span style="color: black;">经过</span>中桩的位置信息来计算地面线平面位置并提取地面线<span style="color: black;">周边</span>的LiDAR点云数据；③<span style="color: black;">按照</span>提取的点云中地面点数据构建内插模型，生成地面线上点的高程，输出地面线数据；最后，结合数字正射影像（digital orthophoto map,DOM）数据，在可视化平台中对地面线进行检核和修正。</p>
<h2 style="color: black; text-align: left; margin-bottom: 10px;">1.1 点云管理</h2>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;">LiDAR数据的处理始终被点云数据的海量、<span style="color: black;">繁杂</span>、高密度、无规律等特点所<span style="color: black;">困惑</span>，即使经过滤波和<span style="color: black;">归类</span>处理后的公路设计线位沿线的点云数据，<span style="color: black;">亦</span>仍然会<span style="color: black;">因为</span>海量的数据特点，<span style="color: black;">没法</span>直接应用到<span style="color: black;">此刻</span>的设计软件中。点云数据组织管理<span style="color: black;">办法</span>的优劣对<span style="color: black;">全部</span>数据后处理的效率起着至关重要的<span style="color: black;">功效</span>，针对公路工程应用的特点，本文采用基于路线<span style="color: black;">方法</span>索引的点云动态管理<span style="color: black;">办法</span>。<span style="color: black;">首要</span><span style="color: black;">经过</span>路线设计软件<span style="color: black;">得到</span>路线<span style="color: black;">方法</span>，路线<span style="color: black;">方法</span><span style="color: black;">经过</span>一系列的中桩坐标点进行表达。<span style="color: black;">按照</span>中桩坐标生成各个线路的中线，沿着路线的前进方向按<span style="color: black;">必定</span>间隔生成垂直于路线的矩形格网。当用户进行空间<span style="color: black;">查找</span>时，除了<span style="color: black;">能够</span><span style="color: black;">按照</span>点的坐标和范围进行<span style="color: black;">查找</span>，<span style="color: black;">亦</span><span style="color: black;">能够</span><span style="color: black;">经过</span>桩号进行<span style="color: black;">查找</span>，为后续工作中激光点云数据的快速提取<span style="color: black;">供给</span><span style="color: black;">基本</span>。</p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;">1.2 备选点提取</p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;">因为</span>LiDAR点云数据<span style="color: black;">拥有</span>密度大、精度高等特点，地面线形态可直接由地面线<span style="color: black;">周边</span>的地面点进行表达，点云提取在<span style="color: black;">归类</span>后点云的<span style="color: black;">基本</span>上，<span style="color: black;">按照</span><span style="color: black;">供给</span>的中桩坐标文件生成地面线的剖线，设置阈值T1，提取到横断面剖线平面距离<span style="color: black;">少于</span>T1的<span style="color: black;">归类</span>后激光点，并<span style="color: black;">做为</span>生成地面线的备选点。</p>
<h2 style="color: black; text-align: left; margin-bottom: 10px;">1.3 地面线生成</h2>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;">地面线生成<span style="color: black;">重点</span><span style="color: black;">按照</span>备选点云数据中的地面类点进行数据建模和高程内插，如图4所示，其算法流程<span style="color: black;">重点</span>是：①将提取出到横断面剖线平面距离<span style="color: black;">少于</span>T1范围内的激光点在平面上向地面线剖面线作垂线，<span style="color: black;">按照</span>垂线距离的<span style="color: black;">体积</span>设定阈值T2(T2<T1)，将到剖面线距离在T2范围内的点，以垂足点的平面位置和激光点的高程<span style="color: black;">做为</span>地面线上的点，并生成初始地面线；②对初始地面线上的点按找地面线方向排序并进行扫描，若是<span style="color: black;">发掘</span>空洞<span style="color: black;">很强</span>区域，由到剖面线距离在内的地面点投影到地面线剖面线上进行填充，其高程则由<span style="color: black;">周边</span>提取出的地面点建模内插，常用的三维数字地面模型有不规则三角网模型(TIN)和格网模型(DEM)，<span style="color: black;">因为</span>不规则三角网<span style="color: black;">拥有</span>保持地形特征的优点，采用TIN模型分别对各个地面线<span style="color: black;">周边</span>的地面点进行地形建模，<span style="color: black;">按照</span>三角网插值法进行点高程的内插，最后输出设计地面线。</p>
<h2 style="color: black; text-align: left; margin-bottom: 10px;">1.4 <span style="color: black;">检测</span>和编辑</h2>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;">将简化后的地面线在可视化图形环境中进行绘制，<span style="color: black;">经过</span>叠加LiDAR点云和DOM数据，对生成的地面线进行可视化<span style="color: black;">检测</span>和编辑，<span style="color: black;">最后</span>生成地面线数据。</p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;">2 系统设计</p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;">设计地面线自动提取系统的设计<span style="color: black;">目的</span>是<span style="color: black;">经过</span>充分利用LiDAR点云数据高精度、高密度的特点，实现快速的自动提取地面线，并可在可视化环境对地面线数据进行快速<span style="color: black;">检测</span>和自由编辑。<span style="color: black;">根据</span>系统设计的<span style="color: black;">目的</span>，将系统分为数据层、服务层和用户层。</p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;">数据层<span style="color: black;">重点</span>是<span style="color: black;">包含</span>机载LiDAR系统采集获取的LiDAR点云数据和DOM数据，以及设计所需要的中桩信息等数据；服务层<span style="color: black;">重点</span>在可视化的图形平台上，为用户<span style="color: black;">供给</span>点云<span style="color: black;">归类</span>处理、点云提取处理、地面线生成和简化等服务；用户层<span style="color: black;">重点</span>是<span style="color: black;">经过</span>数据交互和参数设置等调用服务层的各项功能和服务来处理数据层中的数据，并在视图窗口中直观<span style="color: black;">表示</span>。</p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;">3 系统实现</p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;">MicroStation<span style="color: black;">做为</span>土木工程、建筑、交通运输等<span style="color: black;">行业</span>的<span style="color: black;">基本</span>平台，为用户<span style="color: black;">供给</span>了多种二次<span style="color: black;">研发</span>手段。本文的系统<span style="color: black;">选取</span>VirsualC++6.0语言对Microstation进行二次<span style="color: black;">研发</span>，结合Microstation MDL实现与Microstation系统的通信以及<span style="color: black;">关联</span>的功能，<span style="color: black;">同期</span>结合TerraSolid对点云数据的管理和处理，给地面线自动提取处理的性能带来<span style="color: black;">很强</span>的<span style="color: black;">提高</span>。该系统可对任意中桩任意方向的地面线进行采集，在参数设置中<span style="color: black;">按照</span><span style="color: black;">实质</span>设计的<span style="color: black;">需要</span>，设置地面线采集的范围和宽度，并<span style="color: black;">按照</span>生成的地面剖面线对<span style="color: black;">归类</span>后的点云数据进行提取，得到备选点数据。</p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;">按照</span>提取出的备选点数据，该系统可进一步快速自动生成地面线数据，其输出的地面线成果<span style="color: black;">重点</span>是文本格式<span style="color: black;">暗示</span>，利用MicroStation平台的数据接口，该系统<span style="color: black;">亦</span>可将地面线数据与LiDAR点云数据和DOM数据直接进行叠加<span style="color: black;">表示</span>，<span style="color: black;">从而</span><span style="color: black;">经过</span>点云和DOM影像对生成的地面线数据作进一步的<span style="color: black;">检测</span>和编辑工作，<span style="color: black;">从而</span>生成更准确更符合真实地表的地面线数据。</p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;">4 工程应用</p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;">该<span style="color: black;">办法</span>和系统已广泛应用于河北、贵州、江西、广西和西藏等多个高速公路建设工程中，以广西柳州至南宁高速公路改扩建工程为例，在植被覆盖<span style="color: black;">尤其</span>严重的10 km路段分别利用该软件和数模内插生成两组地面线，并进行野外实测检验，将两组断面与野外实测断面进行对比，该软件生成的设计地面线信息精度得到<span style="color: black;">显著</span><span style="color: black;">加强</span>，生成断面合格率<span style="color: black;">亦</span>高达99.6%，完全满足公路改扩建勘测设计详测与施工图设计的<span style="color: black;">需求</span>。</p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><span style="color: black;">经过</span>对比分析，可得知本文中自动提取设计地面线数据的<span style="color: black;">办法</span><span style="color: black;">拥有</span>以下特点：</p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;">1) 精度高。在构造物比较多的地区，该系统生成的地面线相比较数模内插的<span style="color: black;">办法</span>而言，更准确的反映了微地貌真实的地表信息。</p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;">2) 效率高。该<span style="color: black;">办法</span>生成断面地面线的<span style="color: black;">办法</span>可替代人工实测，该文<span style="color: black;">办法</span>生成23 550个断面并<span style="color: black;">检测</span>仅需1～2 h，而野外实测一人一天仅可测得40个断面，效率得到大大地<span style="color: black;">加强</span>。</p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;">3) 在困难<span style="color: black;">繁杂</span>地区，利用传统<span style="color: black;">办法</span>在花费<span style="color: black;">海量</span>人力、物力的<span style="color: black;">状况</span>下仍<span style="color: black;">没法</span>准确的采集公路设计所需的地表信息，而本<span style="color: black;">办法</span>基于高精度LiDAR数据<span style="color: black;">能够</span>克服植被茂密的影响，准确获取满足高速公路改扩建详测与施工图设计<span style="color: black;">需求</span>的地表信息。</p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;">5 结束语</p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;">机载激光雷达技术以其高精度、<span style="color: black;">有效</span>率的特点，并结合和其对环境的低<span style="color: black;">敏锐</span>度，在公路建设行业中得到广泛应用，必将对勘测设计行业产生深远的影响。本文提出了基于高精度LiDAR数据自动生成设计地面线的新<span style="color: black;">办法</span>，结合Microstation图形平台二次<span style="color: black;">研发</span>技术，设计并实现了道路地面线自动提取的系统工具，利用该软件<span style="color: black;">能够</span>进行地面线的快速自动提取，大大<span style="color: black;">加强</span>了公路勘测设计效率、节省了外业<span style="color: black;">测绘</span>成本，<span style="color: black;">同期</span>其成果<span style="color: black;">亦</span>达到了高速公路改扩建定测与施工图设计的精度<span style="color: black;">需求</span>。</p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;">2016年（第41卷）第11期</p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/10ec00104bc889af36ae~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1728805461&x-signature=86HciGNva8aAC%2FxvXU6CWNQUuKQ%3D" style="width: 50%; margin-bottom: 20px;"></p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;"><strong style="color: blue;">关于《测绘科学》</strong></p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;">主管：国家测绘地理信息局</p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;">主办：中国测绘科学<span style="color: black;">科研</span>院</p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;">Q Q：2298250438</p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;">邮箱：niu@casm.ac.cn</p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;">网站：http://chkd.cbpt.cnki.net</p>
<p style="font-size: 16px; color: black; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 15px;">《测绘科学》<span style="color: black;">微X</span>公众号</p>
你的留言真是温暖如春，让我感受到了无尽的支持与鼓励。 外链发布社区 http://www.fok120.com/
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