易守东1,2 易菊平1
（1.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610041；2.四川省公路院工程监理有限公司，四川 成都 610041）
[摘要] 在公路勘测中，我们采用激光点云技术方法测量横断面。该方法经过内外业检验，实际可行；保证了勘测的精度，可以至少节约50%~70%的外业实测工作，极大的减少了外业的工作量，提高了作业效率。
[关键词] 机载lidar；公路勘测；激光点云；定测；横断面；
Application and exploration of laser point cloud extraction section technology in western highway survey
YI Shou-dong YI Ju-ping
1引言
机载激光雷达的激光脉冲信号能透过植被的细小空隙到达地面，因此能能快速获得高精度和高空间分辨率的森林或山区的真实数字地面模型（只要植被不会太密，足以保证激光信号能够被反射回去）[1]。利用激光雷达提取断面的方法严格意义上属于数字地面模型方法的一种，利用DEM提取数据横断面是目前道路设计的通常做法，但由于用地形图内插的DEM本身过于粗放，所以这样获得的断面本身精度不高；激光点精度较高，但从海量的LIDAR激光点云中准确提取地面点需要复杂的算法和相当多的人工干预，目前尚无高可靠性的自动算法。所以我们设计了一种内外业数据融合的工艺从激光数据中提取高精度横断面，并完善激光雷达测量提取断面的技术要求；该方式保证了数据质量，减少了外业时间，也提高了工作效率，显著提高了断面精度。
2激光点云采集横断面对精度控制的要求
按照《JTG/T C10-2007公路勘测细则》[2]9.4.2节对于公路断面采集精度的要求来看，离中桩越近，距离中桩高差越小，其采集精度要求就越高；离中桩越远，距离中桩的高差越大，采集精度要求就有相应的降低。
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注：L-测点至中桩的水平距离（m）；h-测点至中桩的高差；
基于这一规则，我们结合实测断面和数字地面模型提取断面的要求，以野外实测（与1:500摄影测量方法的精度相同）地面模型的插值精度作为基础，制定以下激光点云采集横断面的精度要求：
在中桩两侧各25米范围内，设计要求的精度最高，激光点云生成的地面模型插值精度按照不低于0.2米执行，这个值是优于距中桩25米处的实测横断面精度要求的。由于激光点云的内部一致性很好，这个精度是基本满足生产要求。
中桩两侧25~75米范围内，由于有边坡挡墙等的存在，高差和坡度较大，此处的高程精度应根据与中桩的高差大小进行适当的调整。如果最大高差低于10米，则激光点云生成的地面模型插值精度按照不低于0.4米执行（微丘的标准）；如果最大高差10~30米间，则激光点云生成的地面模型插值精度按照不低于0.5米执行（重丘的标准）；如果最大高差大于30米，则激光点云生成的地面模型插值精度按照不低于0.7米执行（山岭的标准）。
中桩两侧75米范围外，激光点云生成的地面模型插值精度按照不低于0.7米执行（山岭的标准）。因为考虑到离中桩越远的地方对精度的要求相应的放宽，且顾及到不同地形的实际测量难度和地形对精度的影响，所以更贴近实际，更具有可操作性。
要确保激光点云生成的地面模型插值精度满断面提取的要求，激光点云预处理成果高程中误差的要求宜按照《CHT 8024-2011机载激光雷达数据获取技术规范》[3]中1:500平原地区的精度要求来执行，即高程中误差不大于15厘米。
公路测量中一般以2倍中误差作为极限误差，根据正态分布曲线图及其概率统计中1倍中误差、2倍中误差覆盖的数据百分比，确定横断面相应位置区间内激光点云分类精度要求。
1）中桩两侧各25米范围内，激光点云分类要求见表2 ：
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对于改扩建道路沿线的重要构造物，如盖板边沟、路缘石、护栏、人行步道等，如果激光点云能完全反应这些细节的，则分类时需根据以上三条精度要求来执行；如果激光点云无法完全反映这些细节，则需要外业实地调查和测量；利用分类好的激光点云建立的地表模型，其质量也有相应的要求：跟生成DEM和DLG的要求不同，分类后所有地面点、悬空桥面点和高路基点均应作为特征点参与数字地面模型的构建；构TIN时，应根据模型表示的实际情况，适当选择带有高程信息和相邻关系的精确匹配的道路特征线、桥梁特征线、河流边线、以及一些三维断裂线来参与数字地面模型的构建；对于滤除非地面点后出现的零散、小面积无数据区域，应根据实际情况设置较大的构网距离，保证插值结果能反应完整地形，不得出现插值漏洞，避免因为无插值数据导致的断面无法提取。
2.1 激光点云提取断面的方法
《JTG/T C10-2007公路勘测细则》7.5.3节提出，利用三角网（TIN）模型、矩形格网（GRID）与三角网（TIN）的混合模型计算横断面地面线时，宜通过求取横断面线与各相交三角网、格网边线交点的方法获得横断面地面线上点的三维坐标；参照这一要求，我们在TerraSolid软件和基于ARCGIS的二次开发软件中提取中桩和横断面，具体的方法步骤如下：
在TerraSolid软件中将激光点云数据分类后成果构TIN并检查。对于局部不完善的地方加以修改完善，如果激光点云本身无法完善的，应标记位置后期检核和实测；安装加载基于ARCGIS二次开发的断面处理模块，将设计部门提供的线位图导入ARCGIS数据库并合并为一条带属性的二维多段线，有断链的地方需断开；一般提取正交横断面成果的，在需要提取横断面的中桩处按照左右断面宽度生成二维法线向量（即横断面方向线）；如果提取斜交横断面，需要事先定义好与中线的斜交角度，根据角度生成横断面方向线。
将二维横断面方向线导入TerraSolid中，并将横断面方向线与TIN平面求交，获得每个交点处TIN的高程信息，将二维横断面方向线转为三维横断面方向线，即横断面线，并导出DWG格式；将DWG格式横断面线导入ARCGIS中，赋予桩号及其他属性信息，并导出设计惯用的横断面格式，一般为纬地格式。
利用以上方法生成的断面，应与激光点云和正射影像叠加检查，对不准确的地方进行三维交互修改，并做出标记后期检核。
2.2激光点云提取断面的适应性
1）中桩高程取舍情况
激光点云提取断面时，中桩高程是从激光点云上直接内插提取的，其跟外业实测中桩的高程值可能并不完全吻合。在两者存在差异的情况下，按照下列要求对中桩高程进行取舍和检核处理：
如果在激光点云上提取的中桩高程与实测中桩高程差值不大于0.4米，则可以直接用实测中桩高程替代激光点云上提取的中桩，并将激光点云提取的断面强制附合到实测中桩上去；
如果在激光点云上提取的中桩高程与实测中桩高程差值在0.4~0.7米范围内，则需要内业检核中桩处激光点云分类精度。如果内业检核未发现问题，则移交外业检核；
如果在激光点云上提取的中桩高程与实测中桩高程差值大于0.7米，需要同时对外业实测中桩高程、内业中桩处激光点云的分类精度进行检核，确认无误后才能使用；
2）横断面采集的适用性
利用激光点云提取断面，方便又快捷。但从原理上分析，激光只能削弱而不能彻底消除植被的影响，因此并不是所有地区都适合利用激光点云来提取断面成果。并且，激光点云提取的断面成果，需要适当的检核后才能应用于生产，任何不加检核的直接使用都是不认真的。
对于裸露地表以及植被覆盖稀疏低矮的地方，激光点云直接获取地表点的精度较高，经过适当的抽样检查后可以直接应用与生产环节；对于植被高大密集的地方，因为激光点云穿透植被的能力有限，局部地区可能无法采集到足够的地表点，导致地形表达不完整，激光点云提取的断面精度不高。此时内业提取断面时需对植被茂密的不可靠区域做标记，提醒外业进行全面检核；
对于已有桥梁、互通、挡墙等重要构筑物存在的地方，断面一般应实地测量；
3激光点云提取断面的项目应用与检测
激光雷达法提取的断面，其精度究竟如何？为此，我们分别针对改扩建项目和新建项目，将XX高速公路扩容建设项目A3标段（以下简称久马A2）和XX高速公路A2标段（以下简称成乐A3）项目中激光点云提取的断面和野外实测断面进行了对比试验。实验方法是比较实测断面点与激光点云提取断面拟合点的高程差值。
试验1提取了久马A2标段约3公里左右的实测断面（包括线路左右线断面）共计1181条，将分类用来生成1:2000地形图的激光点云数据提取的断面与之作比较。总计比对了14841个横断面点，比较的结果形成如下的柱状图1。经统计，激光点云提取断面高程与实测点差值中误差为0.39米，0.5米以下的点比例为83.67%。
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图1 久马A2激光点云提取的断面与实测断面精度比对统计图
试验2提取了成乐A3标段约4公里左右的实测断面共计244条，将分类用来生成1:500地形图的激光点云数据提取的断面与之作比较。总计比对了4301个横断面点，比较的结果形成如下的柱状图2。经统计，激光点云提取断面高程与实测点差值中误差为0.46米，0.5米以下的点比例为73.33%。