摘要：公路工程施工质量的好坏与人民的生命安全及经济发展有着密切联系，加强公路施工质量建设具有重要意义。但是，我国公路建设中工程测量还面临诸多问题，相关人员必须加强测量方法的改进、重视新技术的应用、加强测量控制管理，确保公路工程建设质量符合国家标准与实际使用需求，为我国公路建设提供足够的技术支持。论文探讨了新型的点云数据处理技术,用于地形图的生产,不仅提高了在山地、丘陵等地形中的测量精度,而且有效地降低了人力和时间的耗费量。
关键词：点云数据；数字高程模型；地貌要素选绘
引言
本文以某地区2段公路约200km的地形测量为研究对象,比较采用常规的立体测图软件JX4G或VirTuoZo获取地貌数据和利用机载LiDAR点云数据经处理后自动生成等高线合理编辑后,选取关键地貌高程点以得到地貌数据这2种方法。实践证明:LiDAR点云数据高程精度能够达到约0.2m,这完全符合公路项目1∶2000的设计要求。该技术流程与方法切实可行,满足大比例尺工程用图。技术流程如图1所示
图1技术流程图
2传统全野外测量法
全野外测量法主要是在GPS系统准确定位基础上,利用全站仪等测量工具,测取固定区域的高程、距离等参数,经中央处理器处理后,得到本区域的地物、地貌数据。此种方法受区域和信号的限制,测量仪器无法测取每一处地形变化的细节,等高线的绘制也由于所测高程点的稀疏而只能粗略地反映地形概况,小的沟壑、梯田则被忽略掉,精度因此被大大降低,这使后期的公路设计方案产生了局部的不确定性。当遇到江河等无法逾越的障碍时,全野外测量更是显示出自身的不足。
3传统航空摄影测量法
传统航空摄影测量是在获取航空影像以后,经过空三加密,利用立体测图软件JX4G或VirTuoZo,恢复立体后,人工切准地面高程、地物等,等高线的绘制均是依靠人工控制左右手轮时刻切准地面进行绘制的,需绘图员熟练操纵手轮。每人视觉差异不一样,对地貌概括理解不一样,不同的人绘制同一片区域的等高线结果各异,即使同一个人在不同时间绘制同一片区域等高线,所得结果也存在差异。因此,传统的航测等高线、高程点的精度很大程度依赖于绘图员的业务水平,效率低下。
在传统航测流程下,用于单片正射纠正的数字高程模型(DEM)数据均是人工采集交通、水系、地貌变化处等主体框架的特征点、线,然后构成TIN(三角立体控制网),生成DEM。由于人工采集工作量大且极易发生错漏,一旦有错漏,将会导致错误区域的影像有变形、移位等问题,可能需要反复多次修测才能采集好满足数字正射影像(DOM)生成需要的DEM数据。
4利用机载LiDAR点云数据法
LiDAR系统是利用机载激光雷达测距系统和GPS/IMU直接获取地面点的三维坐标,形成离散的、不规则的三维点云数据[1]。LiDAR数据的预处理过程主要可以分为POS数据解算和生成三维点云2个部分。POS数据解算就是提取出LiDAR系统的GPS数据和IMU数据和其他的辅助数据,通过对GPS数据进行差分拟合,得到激光发射瞬间激光发射器的精确GPS坐标;通过GPS定位数据、IMU数据和其他辅助数据进行联合解算,得到精确的6个外方位元素。利用POS解算数据和大气校正、距离校正、扫描仪校正等参数,可以解算出每一个激光对应的地面光斑的三维坐标,生成后续处理需要的三维点云文件。后处理可根据绝对高程或设定阈值来去除明显的异常点,或对部分失真区域补充,以得到高精度点云数据和数字高程模型DEM,即可满足DOM生成需要,相对于传统航摄流程完全省略了人工采集特征点线的步骤,极大地缩短了DOM产品的生产时间。
机载LiDAR点云数据自动生成的等高线只是根据点云高程采用数学方式描绘出等高线,更具真实性和科学性。
地形图的关键要素,等高线,则是在专业软件中,导入数字高程模型DEM自动生成。叠加数字正射影像和由DEM自动生成的等高线,选取所需的高程点。为提高公路的测量精度,山顶、鞍部、山谷等部位须选高程点。地形变化处、起伏的沟壑、梯田坎等也要选取达到设计要求的高程点。
遵循信息化的前提下,在保持地物等空间对象的整体性和完整性的基础上[3,4],按照地物概括原则,合理地采集地物。
公路测量的目的之一为设计部门提供高质量、高精度、全面的地形图,便于设计方能够计算出工程的土方等参数,以得到合理的工期。因此,地物的采集在设计中心线两侧500m以内要尽量详细。要求如下:(1)高差约为1m的梯田坎要逐条表示且有高程点,便于土方量设计,房屋逐栋表示,便于拆迁成本计算;(2)已有小路应详细绘出,宽度约为2.0m的路,要依比例尺绘出,所经河流、沟渠等水系准确定位且有高程点,植被分出人工栽种经济苗木与自然林地。
5立体检查等高线与地物的套合编辑
利用数字高程模型DEM自动生成的等高线在人工合理编辑以后,套合数字正射影像(DOM)后,清晰地分出山地、平原、丘陵,合理选取高程点后,就形成了公路范围的基本地貌数据。这个数据由于以下原因存在局部的不确定性:(1)点云数据在高密度植被覆盖区域和扫描方式本身的缺陷,使数据分布不均匀;(2)由于航飞时受到气流、云彩等的影响,使个别区域无扫描光斑,导致存在部分盲区。
应用清华山维EPS的航天远景模块,合并地物矢量、地貌矢量,映射至立体模型,查看地物与地貌套合情况,进行立体检查,合理修改。
1)自动生成的等高线在遇到比高较小的梯田坎时,会有小幅度迂回的情况,考虑到在人工立体采集坎时的视差影响,曲线可不做处理。
2)在平坦区域,局部细微的高差引起DEM变化,此处会有闭合的等高线。应根据公路项目要求,设定面积数值,统一删除。等高线与水系的套合会有2种情况:等高线完全落水或局部落水。局部落水时,应查看人工采集的水面范围,合理修整;完全落水的等高线,则应删除处理。
6精度评价
某公路长约200km,属山地地貌,比例尺为1∶2000,等高距为2m,依据行业标准CH/T9008.1—2010《基础地理信息数字成果1∶500、1∶1000、1∶2000数字线划图》,粗差点按照2倍中误差执行,等高线插求点高程中误差按1.5m执行。
本项目面积200km2,外业实测205个点,等高线插求点与实测点比对,计算差值;无粗差点,最大误差为-1.6m,最小误差为0,中误差按式(1)计算:
式中,N为检测点数量;△为点云高程值与真值(实地量测值)的差值;M为中误差。计算得到本项目等高线中误差为±0.52m,符合规范要求。
7结语
机载LiDAR点云数据广泛应用于公路建设,在山地、丘陵地区有明显的优势,主要节省了采集等高线、高程点的巨大工作量,降低了劳动强度,提高了工作效率。鉴于现实的可行性和公路项目对于地形图的快速需求,充分发挥LiDAR数据的高密度、高精度的特点,在工程建设中得到了高效的应用。
参考文献
[1]张玉方,程新文.机载LiDAR数据处理及其应用综述[J].工程地球物理学报,2008,5(1):119-124.
[2]刘专,吴朝辉,胡静,等.LiDAR技术的发展及应用[J].国土资源导刊,2013(4):23-25.
[3]郭朝晖,王红新,李奇.基础地理信息从MGE到EPS的数据转换研究[J].测绘信息与工程,2010,35(2):10-11.
[4]王芳,刘伟,吴红梅.建设项目压覆矿业权及矿产地应用研究与系统实现[J].山东国土资源,2016,32(1):68-72
论文作者:申友敏
论文发表刊物:《基层建设》2018年第36期
论文发表时间:2019/3/12
标签：等高线论文; 高程论文; 数据论文; 地物论文; 地貌论文; 测量论文; 公路论文; 《基层建设》2018年第36期论文;