顧及要素特征的機載激光點云道路斷面提取算法

李艷，楊少艷，屈仁飛，謝燕梅 （.成都航空職業(yè)技術學院，四川 成都 6099；.成都西南交大研究院有限公司，四川 成都 6003）

0 引言

道路交通行業(yè)是支持社會經(jīng)濟發(fā)展的基礎和重要命脈，隨著社會的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，道路修建呈現(xiàn)高質(zhì)量快速發(fā)展的態(tài)勢。道路勘測設計的工作量在逐年增加，對道路的測量精度與效率要求越來越高。道路斷面測量可以為道路規(guī)劃、設計、施工、勘測、管理等工作提供基礎數(shù)據(jù)保障，可以綜合考慮城市交通方式、土地利用、景觀綠化、地下管線等因素對道路橫斷面設計的影響[1]，對道路持續(xù)健康發(fā)展有著不可磨滅的貢獻。

傳統(tǒng)的道路線路測量工作外業(yè)依靠全站儀、RTK（Real-Time Kinematic）、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）等測量技術[2]，完全依賴人工進行定距、定量實測，在山區(qū)植被密集和人員無法到達地區(qū)采集數(shù)據(jù)精度較低。內(nèi)業(yè)人員利用南方CASS等軟件展開外業(yè)測量的數(shù)據(jù)，進而繪制道路斷面圖，須進行大量橫縱斷面數(shù)據(jù)編輯與優(yōu)化工作[3]。由于外業(yè)測量的惡劣環(huán)境和內(nèi)業(yè)軟件支持點數(shù)量的限制，從而導致道路斷面不能準確體現(xiàn)道路及兩側的真實地形、地物情況。

激光雷達（Light Detection and Ranging，LiDAR）以激光器為發(fā)射光源，發(fā)射高頻率激光脈沖到被測物表面，以光電探測器為接收器件，接收被測物表面返回的回波信息[4]。相比較傳統(tǒng)的道路線路測量，機載激光雷達系統(tǒng)將Li-DAR 系統(tǒng)搭載于固定翼飛機、直升機、無人機等飛行平臺，可以全天候作業(yè)，快速地獲取高精度、高密度的地物三維激光點云數(shù)據(jù)。通過獲得精準的數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM），在DEM 的基礎上可實現(xiàn)高精度中樁橫斷面提取。

為實現(xiàn)道路斷面圖自動生成，國內(nèi)外學者提出了許多基于LiDAR點云的道路斷面提取方法[5]，主要分為三種，第一種是數(shù)字等高線法，采集斷面線與等高線的交點，獲取該點的距離和高程值，從而生成斷面圖[6]；第二種是規(guī)則格網(wǎng)DEM（Digital ElevationModel）插值法，通過布設斷面線，斷面線與規(guī)則格網(wǎng)DEM 逐網(wǎng)格插值，提取斷面地形數(shù)據(jù)[7]；第三種是TIN（Triangulated Irregular Network）求交法，從海量點云數(shù)據(jù)中快速提取構建約束三角網(wǎng)，通過逐點插入法，實現(xiàn)局部Delaunay 三角網(wǎng)的快速構建，最后根據(jù)三角網(wǎng)拓撲關系，實現(xiàn)斷面線與TIN 的快速求交，生成并優(yōu)化地形斷面圖[8]。以上方法都是將LiDAR 點云插值成等高線或格網(wǎng)之后，再通過斷面線與等高線或格網(wǎng)進行求交或二次插值，從而得到斷面圖。在插值的過程中，會造成精度損失，且在提取斷面信息時，沒有充分考慮保留地形特征。

1 機載激光雷達系統(tǒng)

機載激光雷達系統(tǒng)主要由激光掃描系統(tǒng)、GNSS、慣性導航系統(tǒng)和監(jiān)視及控制系統(tǒng)組成[4]。

激光掃描系統(tǒng)由激光發(fā)射器、激光接收機和機械掃描裝置組成。激光發(fā)射器發(fā)射出激光，機械掃描裝置快速轉動，激光經(jīng)過反射與折射形成激光束，從不同的方向發(fā)射出去，經(jīng)地物反射回來，最后由激光接收機接收反射回來的激光，從而確定地物到激光器的距離、回波數(shù)量以及激光回波強度等信息。

GNSS 是能在地球表面或近地空間的任何地點，為用戶提供全天候的三維坐標和速度以及時間信息的空基無線電導航定位系統(tǒng)[9]，其在機載激光雷達系統(tǒng)中有三個作用，分別是與慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）和激光器保持時間同步，與IMU 組合導航，提高位姿精度，提供導航數(shù)據(jù)給飛行平臺。

慣性導航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS）主要包括IMU 和導航處理器，其作用是測量激光發(fā)射器發(fā)射激光時刻的掃描儀姿態(tài)信息，包括俯仰（pitch）角、側滾（roll）角和航向（heading）角，與GNSS 一起組成定位定姿系統(tǒng)（Position and Orientation System，POS），提供精確的位姿信息。

監(jiān)視及控制系統(tǒng)主要是對激光掃描系統(tǒng)、GNSS、慣性導航系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行監(jiān)視與控制，在協(xié)調(diào)三者同步工作的同時，對獲取的數(shù)據(jù)進行存儲。

2 特征道路斷面提取

2.1 道路要素特征信息

傳統(tǒng)道路斷面提取時，使用的道路中線包含里程、中樁樁號及其平面坐標。里程是指道路中線上的任意一點沿該道路中線到起點里程的水平距離。中樁樁號，又稱里程樁樁號，中樁是指釘設在道路中線上注有里程的樁位標志，中樁樁號則是中樁上所標注的里程，以公里數(shù)和公里以下的米數(shù)相加表示，若里程為201911.24m，則該樁的樁號記為K201+911.24，是用于確定道路位置的輔助定位手段。

中樁可分為整樁和加樁。整樁是由道路的起點開始，每隔10m、20m 或50m 的整倍數(shù)樁號設置的里程樁，其中里程為整百米的稱百米樁，里程為整公里的稱公里樁。加樁可分為地形加樁、地物加樁、曲線加樁和關系加樁等。地形加樁是在中線地形變化處設置的樁。地物加樁是在中線上橋梁、涵洞等人工構造物處以及與其它地物交叉處設置的樁。曲線加樁是在曲線各主點設置的樁。關系加樁是在轉點和交點上設置的樁。

所有中樁中，對道路位置起控制作用的樁點可視為中線控制樁，通常直線上的控制樁有交點樁（JD）和轉點樁（ZD），曲線上的控制樁有直圓點（ZY）和圓直點（YZ）、直緩點（ZH）和緩直點（HZ）、緩圓點（HY）和圓緩點（YH）、曲中點（QZ）。

傳統(tǒng)道路斷面提取只考慮了道路本身的位置信息，為了給設計規(guī)劃部門提供更加全面的道路斷面信息，需要引入道路沿線兩側的地形、地物等信息，包括房屋、橋洞、耕地、坡坎、河流、池塘等。

2.2 特征橫縱斷面生成

道路斷面提取是對某一方向剖面的地形起伏進行測量的工作，通常分為道路橫斷面測量與道路縱斷面測量，其最終目的是得到特定位置點的高程值與屬性值。道路橫斷面圖指的是經(jīng)過中樁處并垂直于道路中線方向的表示地面起伏的剖面圖。道路縱斷面圖指的是經(jīng)過道路中線，表示道路起伏的剖面圖。斷面測量可為路基設計、計算路基土石方量、布置人工構筑物以及施工放樣提供依據(jù)。

圖1 為道路斷面提取算法的流程圖，算法流程中有以下四點說明。

圖1 道路斷面提取算法流程圖

①以las 文件及dwg 文件為輸入，其中l(wèi)as必須是包含地面點，dwg文件需要包含中線數(shù)據(jù)。

②以地面點新建點云(z=0)，將輸入點云的地面點以高程為0 新建一個點云，通過八叉樹近鄰搜索[10]快速獲取已知點（x，y）周圍的近鄰點，從而為計算斷面點高度提供一個快速有效輸入。

③等間隔計算，采用平面擬合或高斯擬合計算點的高程，得到斷面線上特定位置點的高程值。

平面擬合，擬合一個三維平面，輸入（x，y）得到z 值。須滿足以下兩個條件，a.最近兩個近鄰點與其余近鄰點構成的二維平面三角形中包含斷面點，b.滿足條件a 的三個點高程差不能大于一定值。

高斯擬合，以近鄰點到輸入點的水平距離作為高斯擬合系數(shù)，高程值作為輸入，得到輸入點高程。使用條件是所有近鄰點須滿足平面擬合條件。

④特征點計算，根據(jù)地形高程變化，得到有明顯地形變化點，從而減少斷面點輸出。滿足以下任意條件則為特征點，點出現(xiàn)前后點斷層情況、水平距離超過一定值沒找到特征點、點與最近特征點構成弧度值和點與后幾個點構成弧度值有明顯差值。

3 試驗與結果分析

使用固定翼無人機搭載激光雷達系統(tǒng)，如圖2 所示，獲取到53km 道路的激光點云數(shù)據(jù)，通過點云分類后，得到36784913 個地面點，部分數(shù)據(jù)如圖3 所示。

圖2 固定翼無人機搭載激光雷達系統(tǒng)

圖3 道路las點云數(shù)據(jù)

使用Qt、C++開發(fā)的點云處理軟件對該點云進行道路斷面提取。在處理器為Intel(R) Core(TM) i7-8650 CPU @1.90GHz 2.11GHz、RAM 為16.0GB、系統(tǒng)類型為64 位操作系統(tǒng)的計算機配置下，對本文算法進行測試。導入具有道路中心線圖層的dwg 或者dxf 文件，輸入里程相關參數(shù)生成里程點，提取道路橫斷面圖，耗時0.25s，如圖4所示。

圖4 生成道路斷面圖

為驗證道路斷面圖的精度，采用現(xiàn)場RTK 實測50 個橫斷面，縱斷面54.7km。實驗將LiDAR 點云插值生成1：1000 規(guī)則格網(wǎng)DEM，格網(wǎng)間隔1m，再分別采用規(guī)則格網(wǎng)DEM 插值法和本文方法提取道路斷面圖，然后將現(xiàn)場各橫斷面實測點投影到各斷面圖，統(tǒng)計橫斷面平面中誤差和高程中誤差，對比結果如表1 所示?？梢?，本文算法提取的道路斷面圖精度優(yōu)于規(guī)則格網(wǎng)DEM 插值法。

表1 道路斷面提取方法對比（單位：m）

4 結語

本文的道路斷面提取方法融合傳統(tǒng)道路斷面測量流程，基于高精度、高密度的激光雷達地面點，保證了道路兩側地形地物的完整性，斷面成果不存在漏邊坡高程特征點的情況，且成果具有地物屬性點，斷面成果能直接反映出周邊地形地物情況。基于機載激光點云的道路斷面提取算法，顧及了地形地物要素特征，其橫斷面平面中誤差0.082m，橫斷面高程中誤差0.076m，滿足設計及規(guī)范要求，為道路規(guī)劃、設計、施工、勘測、管理等工作提供基礎數(shù)據(jù)保障。