基于機(jī)載激光掃描的山區(qū)高速公路環(huán)保選線研究

邵艷, 余紹淮, 徐喬

(1.貴州高速公路集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550025；2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司)

1 引言

推進(jìn)綠色交通發(fā)展，建設(shè)綠色公路，是交通運(yùn)輸行業(yè)加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)和實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展的戰(zhàn)略舉措，是落實(shí)“四個(gè)交通”發(fā)展要求、實(shí)現(xiàn)公路建設(shè)健康可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。為深入推進(jìn)綠色交通發(fā)展，交通運(yùn)輸部發(fā)布了《關(guān)于實(shí)施綠色公路建設(shè)的指導(dǎo)意見》、《關(guān)于全面深入推進(jìn)綠色交通發(fā)展的意見》，分三批實(shí)施了33項(xiàng)綠色公路建設(shè)典型示范工程，達(dá)到了各省(區(qū)、市)全覆蓋。

綠色公路以資源節(jié)約、生態(tài)環(huán)保、節(jié)能高效、服務(wù)提升為主要特征，綠色公路建設(shè)需要把生態(tài)保護(hù)理念貫穿到交通基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營和養(yǎng)護(hù)全過程。目前，已有不少學(xué)者對(duì)綠色公路的評(píng)估方法進(jìn)行了初步探索，綠色公路設(shè)計(jì)雖十分注重設(shè)計(jì)的優(yōu)化與理論的創(chuàng)新，但設(shè)計(jì)方法仍以常規(guī)方法為主：① 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以人工外業(yè)實(shí)測(cè)離散點(diǎn)為主，數(shù)據(jù)量小，地形表達(dá)不精細(xì)，方案變更需要二次進(jìn)場(chǎng)測(cè)量；② 工程設(shè)計(jì)以二維設(shè)計(jì)為主，在二維環(huán)境下分別進(jìn)行平、縱、橫設(shè)計(jì)，要求設(shè)計(jì)者具有一定的想象力、創(chuàng)造力和較強(qiáng)的空間概念，缺乏直觀感受；③ 對(duì)生態(tài)環(huán)保設(shè)計(jì)考慮較少，缺乏對(duì)生態(tài)環(huán)境信息的定性定量分析，無法根據(jù)生態(tài)環(huán)境信息優(yōu)化評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)結(jié)果。如何利用先進(jìn)的技術(shù)手段，在山區(qū)兼顧生態(tài)環(huán)境的情況下，快速、高效進(jìn)行環(huán)保選線設(shè)計(jì)是山區(qū)綠色高速公路建設(shè)首要解決的技術(shù)難題。

為此，該文針對(duì)山區(qū)高速公路線形設(shè)計(jì)制約因素多、工程難度大的實(shí)際問題，提出一種基于機(jī)載激光掃描的山區(qū)高速公路環(huán)保選線方法。利用機(jī)載三維激光掃描獲取的公路建設(shè)基礎(chǔ)地理信息，通過地質(zhì)災(zāi)害遙感識(shí)別與分析、生態(tài)環(huán)境影響分析及公路縱、橫斷面CAD協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)山區(qū)高速公路的環(huán)保選線選址研究，科學(xué)、合理地確定工程方案，達(dá)到對(duì)生態(tài)環(huán)境“最小程度破壞、最大程度恢復(fù)”的目的。

2 山區(qū)高速公路環(huán)保選線原則

公路選線是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，是體現(xiàn)一個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)水平的關(guān)鍵，是線、路、橋、隧各工程的綜合體現(xiàn)。山區(qū)高速公路選線的特點(diǎn)是高差大，地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，工程艱巨，可比較方案多。山區(qū)高速公路環(huán)保選線應(yīng)遵循以下主要原則：

(1)加強(qiáng)地質(zhì)選線的深度，避免線路通過嚴(yán)重地質(zhì)不良地段和防止發(fā)生嚴(yán)重工程地質(zhì)病害，減少必須通過的不良地質(zhì)地段路線長度。

(2)順應(yīng)山區(qū)地形地貌條件，科學(xué)選線、合理布線，達(dá)到平面順適、縱面均衡、橫面合理。線路盡可能短直，減少敷設(shè)長度，控制橋隧比，合理安排橋梁與隧道位置。合理設(shè)計(jì)縱、橫斷面，盡量少填少挖，追求取棄平衡。

(3)突出生態(tài)選線，主動(dòng)避讓自然保護(hù)區(qū)、水源地保護(hù)區(qū)等生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)，加強(qiáng)對(duì)自然地貌、原生植被、表土資源、濕地生態(tài)等方面的保護(hù)。嚴(yán)格保護(hù)土地資源，貫徹節(jié)約用地、少占耕地的原則，禁止耕地超占，減少土地分割。

(4)統(tǒng)籌布設(shè)公路施工臨時(shí)設(shè)施，合理設(shè)置公路沿線取棄土場(chǎng)、棄渣場(chǎng)位置，減少施工便道修建及改擴(kuò)建工程，做到充分利用，減少重復(fù)建設(shè)，降低施工臨時(shí)設(shè)施對(duì)環(huán)境的影響。

3 基于機(jī)載激光掃描的山區(qū)高速公路環(huán)保選線

基于機(jī)載激光掃描的山區(qū)高速公路環(huán)保選線的核心思想：采用機(jī)載三維激光掃描，快速獲取高密度、高精度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和高分辨率影像數(shù)據(jù)；基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，建立DEM+DOM的虛擬地表三維模型，進(jìn)行公路地質(zhì)災(zāi)害的遙感解譯與定性定量分析；基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行植被三維重建與植被高度分析，結(jié)合高分辨率影像數(shù)據(jù)進(jìn)行可見光植被指數(shù)計(jì)算，綜合分析評(píng)價(jià)公路建設(shè)生態(tài)環(huán)境影響；基于密集激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集高精度道路縱、橫斷面數(shù)據(jù)，進(jìn)行公路CAD協(xié)同設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)山區(qū)高速公路環(huán)保選線設(shè)計(jì)。

3.1 高精度機(jī)載三維激光掃描

機(jī)載三維激光掃描突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。為確保成果數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性和可靠性，機(jī)載三維激光掃描的數(shù)據(jù)采集范圍需覆蓋各路線走廊或通道所處的帶狀區(qū)域，并不少于路線方案兩側(cè)各300 m；地面GNSS基準(zhǔn)站間隔最遠(yuǎn)不超過40 km，且基準(zhǔn)站數(shù)量不少于2個(gè)；激光點(diǎn)云應(yīng)分布均勻，點(diǎn)云密度大于4點(diǎn)/m2，原始影像地面分辨率高于0.2 m；激光點(diǎn)云成果的平面位置和高程中誤差應(yīng)分別小于±0.50 m、±0.20 m。

3.2 地質(zhì)災(zāi)害遙感識(shí)別與分析

利用激光點(diǎn)云構(gòu)建的高精度DEM數(shù)據(jù)和高分辨率影像數(shù)據(jù)，建立工程勘察區(qū)域的虛擬地表三維模型，對(duì)區(qū)域內(nèi)各種地質(zhì)現(xiàn)象與不良地質(zhì)體進(jìn)行有效、準(zhǔn)確的遙感識(shí)別，并對(duì)災(zāi)害地質(zhì)體的分布位置、形狀、邊界范圍等空間信息進(jìn)行數(shù)字采集。在此基礎(chǔ)上，通過DEM計(jì)算快速獲取災(zāi)害地質(zhì)體的面積、高程、高差、坡度、坡向等幾何要素，預(yù)估災(zāi)害地質(zhì)體的規(guī)模大小及其影響范圍，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的定性分析與定量分析相結(jié)合，確保地質(zhì)災(zāi)害對(duì)工程的可能影響降至最低。

3.3 公路建設(shè)的生態(tài)環(huán)境影響分析

基于綠色植被的可見光光譜反射特性，利用機(jī)載三維激光掃描的高分辨率影像計(jì)算可見光植被指數(shù)，如過綠指數(shù)EXG、歸一化綠紅差值指數(shù)NGRDI、歸一化綠藍(lán)差值指數(shù)NGBDI和紅綠比值指數(shù)RGRI等，對(duì)區(qū)域植被信息進(jìn)行提取與分析。對(duì)機(jī)載三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行植被三維重建，對(duì)植被覆蓋度、植被高度等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用系統(tǒng)聚類法、動(dòng)態(tài)聚類法等方法，對(duì)可見光植被指數(shù)和植被高度等進(jìn)行聚類分析，進(jìn)行公路沿線的土地類型劃分。線路方案應(yīng)盡可能從荒地和低矮植被區(qū)通過，盡量繞避大面積耕地和高植被分布區(qū)，以使公路工程建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境做到最小程度破壞。

3.4 公路縱、橫斷面設(shè)計(jì)

常規(guī)的縱、橫斷面測(cè)設(shè)方法是針對(duì)路基、橋梁、隧道洞口等不同部位，采用不同間距測(cè)定中樁位置，如路基20 m、橋梁10 m、隧道洞口5 m等，然后再測(cè)定中樁對(duì)應(yīng)的橫斷面地面線，測(cè)量工作量大，路線方案變更后需要重新測(cè)量?；诟呙芏?、高精度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，密集提取路線兩側(cè)一定閾值范圍的地面激光點(diǎn)用作中樁點(diǎn)，并直接基于地面激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)插相應(yīng)中樁的橫斷面三維地面線，避免了基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)先構(gòu)建DEM再內(nèi)插生成橫斷面地面線的精度損失，代替人工野外測(cè)量。計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成的縱、橫斷面數(shù)據(jù)量更大，數(shù)據(jù)精度更高，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行公路縱、橫斷面設(shè)計(jì)更加合理，土石方計(jì)算更精確，通過優(yōu)化調(diào)配方法，真正做到零棄方、少借方。

4 應(yīng)用效果

貴州省都勻至安順公路是交通運(yùn)輸部公布的第三批綠色公路建設(shè)典型示范工程，項(xiàng)目位于貴州省黔南布依族苗族自治州都勻市、貴定縣、惠水縣和安順市的鎮(zhèn)寧縣，都勻至安順公路主線全長218 km，另建都勻支線43 km、貴安支線23 km，全線共分5個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)段。測(cè)區(qū)地形主要為丘陵及山地，海拔較高，云層低，雨量多，陰雨天氣持續(xù)時(shí)間長，項(xiàng)目工期緊，人工測(cè)量困難。

項(xiàng)目采用恩斯特龍480B直升飛機(jī)為飛行平臺(tái)，搭載RIEGL VUX激光掃描儀進(jìn)行高精度機(jī)載三維激光掃描，數(shù)據(jù)采集寬度為路線中心線兩側(cè)各800 m，激光點(diǎn)云密度為4.1點(diǎn)/m2，原始影像地面分辨率為0.07 m。為保證數(shù)據(jù)成果精度，項(xiàng)目加大了地面GNSS基站的布設(shè)密度，共布設(shè)15個(gè)地面基站，全部架設(shè)在測(cè)區(qū)四等GNSS控制網(wǎng)上，采用靜態(tài)基站模式；并在測(cè)區(qū)布設(shè)測(cè)量48個(gè)參考面，平均間距約5 km，用于對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢測(cè)與控制。項(xiàng)目利用3 243個(gè)外業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)激光掃描測(cè)量成果進(jìn)行精度檢測(cè)，精度滿足工程詳測(cè)與施工圖設(shè)計(jì)要求(表1)。

采用該文方法對(duì)貴州省都勻至安順公路第DASJ-1標(biāo)段進(jìn)行山區(qū)高速公路環(huán)保選線研究。第DASJ-1標(biāo)段為項(xiàng)目起點(diǎn)路段，路線全長55.542 km，該標(biāo)段是全線地形起伏最大、地質(zhì)條件最復(fù)雜、植被生長最茂密路段，沿線旅游景觀生態(tài)資源豐富。

第DASJ-1標(biāo)段采用三維地質(zhì)遙感解譯方法共識(shí)別滑坡3處、崩塌堆積體13處和不穩(wěn)定斜坡1處，其中1處滑坡和3處崩塌堆積體對(duì)路線有一定影響，采取繞避或以橋梁形式通過以降低地質(zhì)災(zāi)害對(duì)公路工程的危害。利用SPSS軟件對(duì)第DASJ-1標(biāo)段的過綠指數(shù)EXG、植被高度等進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，將區(qū)域土地類型劃分為荒地(包括宅地、道路等)、低矮植被區(qū)、中等高度植被區(qū)、高植被區(qū)等土地類型，最終的路線方案主要從中、低植被區(qū)通過，將公路建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞降至最低。

第DASJ-1標(biāo)段路線方案生態(tài)環(huán)境分析結(jié)果見表2。

表2 第DASJ-1標(biāo)段路線方案生態(tài)環(huán)境分析結(jié)果

基于高密度、高精度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，第DASJ-1標(biāo)段共提取6 310個(gè)地面激光點(diǎn)用作中樁點(diǎn)，直接基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成相應(yīng)中樁的橫斷面三維地面線，橫斷面地面線單側(cè)寬度為80～200 m，地面線總長度達(dá)1 586 km。該標(biāo)段地形起伏大，橋隧比例高，公路設(shè)計(jì)盡可能避免了高填深挖，該標(biāo)段總挖方994.8萬m3，填方976.1萬3，做到了少棄方、零借方。

5 結(jié)論

通過貴州省都勻至安順公路工程實(shí)踐，得出以下結(jié)論：

(1)機(jī)載三維激光掃描的數(shù)字正射影像圖平面精度達(dá)到0.183 m，激光點(diǎn)高程精度達(dá)到0.156 m，滿足高速公路詳測(cè)與施工圖設(shè)計(jì)的高精度要求。

(2)建立虛擬三維環(huán)境進(jìn)行遙感解譯可有效識(shí)別、分析地質(zhì)災(zāi)害，評(píng)價(jià)災(zāi)害體規(guī)模大小及其影響范圍，為地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性分析與地質(zhì)選線提供依據(jù)。

(3)基于機(jī)載三維激光掃描進(jìn)行可見光植被指數(shù)計(jì)算與植被三維重建，實(shí)現(xiàn)公路建設(shè)生態(tài)環(huán)境影響量化分析，使公路建設(shè)對(duì)沿線環(huán)境做到最小程度破壞。

(4)采用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接生成縱、橫斷面地面線，斷面數(shù)據(jù)量大、精度高，確保公路縱、橫斷面設(shè)計(jì)合理，土石方計(jì)算準(zhǔn)確、調(diào)配科學(xué)。