一种基于机载激光测量的公路改扩建勘测方法

摘要

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。

主权项

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；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，所述T字形标记的“一”部分为长，长为1.0m，“丨”部分为宽，宽为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，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、横向坡度参数进行拟合，并对路基边坡的坡度、坡脚位置进行拟合，得出既有道路横断面设计技术要素。