专利名称：一种高速公路改扩建勘测方法
技术领域：
本发明属于测绘和公路工程设计领域，特别涉及一种高速公路改扩建勘测方法。
背景技术：
随着经济社会的快速发展，中东部地区的高速公路通车容量已经饱和，迫切需要加快高速公路改扩建工作。其中，高速公路改扩建勘测工作是整个改扩建工作的基础和重要环节，与高速公路改扩建工程的工期、质量和效率关系密切。现有技术中的高速公路改扩建勘测方法，主要采用工程测量和传统数码航空摄影测量技术。发明人实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下的缺点和不足(I)工程测量存在工作量大、项目成本高、作业周期长和劳动强度大等多方面缺点，不能满足高速公路改扩建部门对勘测设计工作成本低、工期短、精度和质量要求高等多方面的高层次要求；(2)工程测量需要外业测量人员在高速公路路面上作业，为满足该测量工作要求，一种方法是对测量路段临时封闭，保证外业测量人员的作业安全，但该作业方式严重影响了高速公路运输管理部门的正常运营，对经济社会正常运营产生了较大负面影响；另一种方法是不封闭高速公路，作业人员在高速公路路面工作，仅进行作业路段警示提醒，但由于高速公路车辆行驶速度快，该作业方法很难保证外业测量人员的作业安全，存在极大的安全隐患；(3)传统数码航空摄影测量采用立体测图方法采集地面三维地形，自动化程度较低且提取的地形高程精度较差，仅满足公路初测阶段数字高程模型产品的精度要求，不能满足后期公路定测阶段中桩横断面图高程中误差O. I米的精度要求，自然不能解决后期中桩横断面测图需求。在高速公路改扩建勘测过程中采用工程测量、传统航空摄影测量等方法时，不可避免地存在作业安全隐患、影响现场交通通行、项目成本高、开发周期长和产品精度低等问题。怎样在保证高速公路改扩建勘测满足行业勘测规范和业主要求的前提下，尽可能保证外业测量作业人员安全、不影响改扩建公路交通通行、缩短开发周期、提高初测阶段测图产品深加工附加值成为了本领域科技人员急待解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种高速公路改扩建勘测方法，本发明提高了作业的安全性，降低了项目成本，缩短了开发周期，以及提高了产品的精度，详见下文描述一种高速公路改扩建勘测方法，所述方法包括以下步骤(I)布设地面靶标控制点，获取所述地面靶标控制点的三维空间坐标；(2)进行车载移动激光扫描测量，获取车载测量原始数据成果；(3)以所述地面靶标控制点的三维空间坐标为参考，对所述车载测量原始数据成果中的车载点云进行数据处理，获取高精度车载地面点云；
(4)对所述高精度车载地面点云构建第一三角网，生成高速公路路面数字高程模型；(5)进行测区机载LIDAR航测，获取机载测量原始数据成果；(6)根据所述机载测量原始数据成果获取I : 2000比例尺数字高程模型和高精度中桩横断面图；(7)以所述机载测量原始数据成果为基础，通过集成机载地面点云和数码航片进行高速公路两侧各300米范围内I : 2000比例尺数字线划图的制作。所述以所述地面靶标控制点的三维空间坐标为参考，对所述车载测量原始数据成果中的车载点云进行数据处理，获取高精度车载地面点云具体包括I)参照车载设备检校参数解算车载点云，通过数据预处理获取所述车载地面点 云;2)构建无缝线性内插改正模型，根据所述无缝线性内插改正模型和所述地面靶标控制点的三维空间坐标实现所述车载地面点云的数据平差和精度优化，获取所述高精度车载地面点云。所述构建无缝线性内插改正模型具体包括在专业数据处理软件环境中导入局部路段的车载地面点云和所述地面靶标控制点的三维空间坐标，从所述局部路段的车载地面点云中提取所述地面靶标控制点对应的点云集，在所述点云集上获取所述地面祀标控制点对应的特征点三维坐标，建立所述地面革巴标控制点的三维空间坐标与所述特征点三维坐标之间的一一映射关系，构建所述无缝线性内插改正模型。所述无缝线性内插改正模型具体为
(,Y, - X, I (T, -Ti) (}■, - }·；) 7-I) (Z- Ζ, 'I (T, -T1)X =·^,Λ Λ '' r, =^-~,Μ ；· '> ζ =—'Λ 八!
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J1J 1J1其中，(Ti, Xi, Yi, Zi)和(Τ」，Xj, Yj, Zj)分别为局部路段车载地面点云上两相邻地面靶标控制点I和I对应的单元信息，(Tft，X3u Y3u Zft)为两相邻地面靶标控制点间需进行坐标改正的每个坐标点应的单元信息Ji为Ki点对应的GPS时间，XpYi和Zi值分别为Ti时刻车载地面点云在三维坐标上的误差改正值；Tj为Kj点对应的GPS时间，Xj、Yj_和Zj值分别为L时刻车载地面点云在三维坐标上的误差改正值；Tft为KgtA对应的GPS时间，Xft、、值分别为Tft时刻Kft点计算的三维坐标误差改正值，i和j的取值为正整数。所述根据所述机载测量原始数据成果获取I : 2000比例尺数字高程模型和高精度中桩横断面图具体包括I)参照机载设备检校参数，解算测区机载LIDAR航测原始点云成果；2)获取机载地面点云，以所述高精度车载地面点云为控制参考，对所述测区机载LIDAR航测原始点云成果进行点云平差和精度优化；3)对所述机载地面点云构建第二三角网，并生成所述I : 2000比例尺数字高程模型；4)在所述专业数据处理软件环境中导入中桩控制点和横断面投影线，以所述第二三角网为依据，内插生成所述中桩横断面图。所述获取机载地面点云，以所述高精度车载地面点云为控制参考，对所述测区机载LIDAR航测原始点云成果进行点云平差和精度优化具体包括对所述测区机载LIDAR航测原始点云成果进行地面滤波分类，获取机载地面点云；在所述专业数据处理软件环境中分别导入所述高精度车载地面点云和所述机载地面点云；沿公路测线每隔一段判读所述高精度车载地面点云和所述机载地面点云的匹配情况，选取判读点位，以所述高精度车载地面点云和所述机载地面点云上到所述判读点位最近的一对点作为控制特征参考，建立一一映射关系，构建无缝线性内插改正模型；以所述无缝线性内插改正模型和所述映射关系为基础实现所述车载地面点云的数据平差和精度优化。 所述以所述机载测量原始数据成果为基础，通过集成机载地面点云和数码航片进行高速公路两侧各300米范围内I : 2000比例尺数字线划图的制作具体包括I)在所述机载地面点云基础上，通过设置等高线间距，通过专业数据处理软件自动生成等高线要素，同时对等高线线条进行平滑编辑，获取符合国标的所述等高线；2)对所述数码航片进行空三加密处理，获取航片空三加密成果和数码相机几何畸变模型；对所述空三加密成果进行文件数据格式转换；以所述数码相机几何畸变模型为参考，对所述数码航片进行几何畸变改正；导入格式转换后的空三加密成果和几何畸变改正后的数码航片，构建所述立体像对观测环境，实现对平面地物要素采集测图，获取平面地物要素线划成果；3)对所述等高线和所述平面地物要素线划成果进行集成，获取所述I : 2000比例尺数字线划图。本发明提供了一种高速公路改扩建勘测方法，本发明通过以高精度车载点云为控制参考，对机载点云进行平差和精度优化，可获取测区数字高程模型成果，模型空间分辨率高且高程精度可优于O. I米，具有以下的有益效果I)变革了传统高速公路改扩建勘测技术思路，解决了传统技术手段外业测量人员作业安全隐患和影响旧路交通正常通行两大难题；本发明无需人员上路，仅需以开车方式进行外业测量，即不影响交通通行，也不会产生项目人员外业作业安全隐患；2)本发明仅需配合少量地面控制测量工作，大部分外业测量工作仅以汽车行驶方式即可快速完成，极大的提高了外业数据采集效率；内业数据处理和点云平差自动化程度较高，与工程测量方法效率相当；本发明可提高高速公路勘测整体作业效率，极大的缩短了作业工期；3)本发明提高了初测阶段成果的深加工附加值，实现了高速公路勘测初测、定测工作的一体化，极大的降低了项目整体建设成本。
图I为本发明提供的一种高速公路改扩建勘测方法的流程图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步详细描述。为了提高作业的安全性，降低项目成本，缩短开发周期，以及提高产品的精度，参见图1，本发明实施例提供了一种高速公路改扩建勘测方法，该方法包括以下步骤
为了解决现有传统测绘技术在高速公路改扩建勘测领域应用中存在的诸多问题，提高生产效率和测图产品的深加工附加值，本发明实施例的目的是提供一种集成机载激光雷达航测(LIDAR)和车载移动激光扫描测量技术的高速公路改扩建勘测方法。本方法在满足高速公路改扩建勘测测图成果精度和质量的前提下，保证了外业测量人员作业安全，完全不影响改扩建高速公路交通通行，提高了初测阶段测绘成果的深加工附加值，实现了高速公路勘测初测和定测工作的一体化，降低了项目开发成本，提高了高速公路勘测的整体工作效率，缩短了项目工期，彻底解决了传统高速公路改扩建勘测测绘技术手段存在的缺点。高速公路改扩建勘测行业规范要求提取的路面数字高程模型平面精度小于O. 05米、高程精度小于O. 02米；高速公路改扩建勘测行业规范要求道路中央线中桩点两侧各60 米范围内提取的横断面图高程精度小于O. I米。101 :对机载LIDAR (Light Detection And Ranging,激光雷达)和车载移动激光扫描测量设备进行检校，获取机载设备检校参数和车载设备检校参数；其中，机载LIDAR和车载移动激光扫描测量设备进行检校具体是对激光传感器部件和数码相机进行检校。激光传感器部件需检校heading(航偏角)、roll(翻滚角)和pitch(俯仰角)三个参数；数码相机需检校heading、roll、pitch、像主点偏移量和镜头几何畸变模型参数，对参数的验校需要外业测量地面控制点，采用专业数据处理和分析方法进行设备检校参数的检校计算，如有合适的检校场，激光传感器和数码相机检校可共用。102 :布设地面靶标控制点，获取地面靶标控制点的三维空间坐标；其中，本方法采用传统工程测量方法完成地面控制测量工作，布设地面靶标控制点。为了降低项目投入成本，地面靶标控制点选用普通建筑转头作为靶标材料。地面靶标控制点沿高速公路边沿布设。要求地面靶标控制点的位置不存在通视遮挡，所在位置的地面基本平坦，并尽可能靠近高速公路外围辅道边线布设，以尽可能减轻外业人员上路问题。地面靶标控制点一般沿高速公路两侧交错布设。根据高速公路路段全球定位系统(GPS)卫星观测环境的好坏来确定地面靶标控制点布设的平均间距。根据工程项目实际经验，国内北方测区地面靶标控制点间距可设计为O. 6公里，南方测区地面靶标控制点间距可设计为O. 4公里。实际应用时，当局部路段观测条件较好，可适当增加地面靶标控制点间距；当局部路段观测条件较差，应适当减小地面靶标控制点间距。在完成地面靶标控制点布设后，需进行地面靶标控制点的外业测量。其中，获取地面靶标控制点的三维空间坐标具体为平面坐标采用GPS RTK (RealTime Kinematic，实时动态差分)测量方式，高程测量采用四等水准测量。103 :进行车载移动激光扫描测量，获取车载测量原始数据成果；其中，通过开车方式完成车载移动激光扫描测量外业数据的获取，车载测量原始数据成果包括车载点云和数码照片等。其中，在高速公路行进过程中，由于高速公路上车流量大、道路两侧茂密行道树对卫星遮挡等原因，车载测量行进过程中GPS动态观测条件并不理想。为保证车载移动激光扫描测量外业数据采集质量，一般采用“沿高速公路外围往返测量、再重复测量一次”的作业方案，保证外业所有路段均可获取高质量的车载测量原始数据成果。为了保证车载测量原始数据成果的质量，汽车行驶速度保持在20-30公里/小时，且尽可能匀速行驶。
104:以地面靶标控制点的三维空间坐标为参考，对车载测量原始数据成果中的车载点云进行数据处理，获取高精度车载地面点云；I)参照车载设备检校参数解算车载点云，通过数据预处理获取车载地面点云；其中，数据预处理具体包括点云分幅、地面分类、坐标转换和最优数据段分析选取等，为车载地面点云平差和精度优化做好前期数据处理准备。对车载点云进行滤波分类处理从而获取车载地面点云。2)构建无缝线性内插改正模型，根据无缝线性内插改正模型和地面靶标控制点的三维空间坐标实现车载地面点云的数据平差和精度优化，获取高精度车载地面点云。其中，该步骤具体包括在专业数据处理软件环境中导入局部路段(点云分幅后的每个图幅对应的路段单元)的车载地面点云和地面靶标控制点的三维空间坐标，从局部路段的车载地面点云中提取地面靶标控制点对应的点云集，在点云集上获取地面靶标控制点对应的特征点三维坐标，建立地面靶标控制点的三维空间坐标与特征点三维坐标之间的一一映射关系，构建无缝线性内插改正模型。其中，无缝线性内插改正模型如下
权利要求
1.ー种高速公路改扩建勘测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤 (1)布设地面靶标控制点，获取所述地面靶标控制点的三维空间坐标； (2)进行车载移动激光扫描測量，获取车载测量原始数据成果； (3)以所述地面靶标控制点的三维空间坐标为參考，对所述车载測量原始数据成果中的车载点云进行数据处理，获取高精度车载地面点云； (4)对所述高精度车载地面点云构建第一三角网，生成高速公路路面数字高程模型； (5)进行测区机载LIDAR航测，获取机载测量原始数据成果； (6)根据所述机载测量原始数据成果获取I: 2000比例尺数字高程模型和高精度中桩横断面图； (7)以所述机载测量原始数据成果为基础，通过集成机载地面点云和数码航片进行高速公路两侧各300米范围内I : 2000比例尺数字线划图的制作。
2.根据权利要求I所述的ー种高速公路改扩建勘测方法，其特征在于，所述以所述地面靶标控制点的三维空间坐标为參考，对所述车载測量原始数据成果中的车载点云进行数据处理，获取高精度车载地面点云具体包括 1)參照车载设备检校參数解算车载点云，通过数据预处理获取所述车载地面点云； 2)构建无缝线性内插改正模型，根据所述无缝线性内插改正模型和所述地面靶标控制点的三维空间坐标实现所述车载地面点云的数据平差和精度优化，获取所述高精度车载地面点云。
3.根据权利要求2所述的ー种高速公路改扩建勘测方法，其特征在干，所述构建无缝线性内插改正模型具体包括 在专业数据处理软件环境中导入局部路段的车载地面点云和所述地面靶标控制点的三维空间坐标，从所述局部路段的车载地面点云中提取所述地面靶标控制点对应的点云集，在所述点云集上获取所述地面祀标控制点对应的特征点三维坐标，建立所述地面革巴标控制点的三维空间坐标与所述特征点三维坐标之间的一一映射关系，构建所述无缝线性内插改正模型。
4.根据权利要求3所述的ー种高速公路改扩建勘测方法，其特征在干，所述无缝线性内插改正模型具体为
5.根据权利要求4所述的ー种高速公路改扩建勘测方法，其特征在于，所述根据所述机载测量原始数据成果获取I : 2000比例尺数字高程模型和高精度中桩横断面图具体包括O參照机载设备检校參数，解算测区机载LIDAR航测原始点云成果； 2)获取机载地面点云，以所述高精度车载地面点云为控制參考，对所述测区机载LIDAR航测原始点云成果进行点云平差和精度优化； 3)对所述机载地面点云构建第二三角网，井生成所述I: 2000比例尺数字高程模型； 4)在所述专业数据处理软件环境中导入中桩控制点和横断面投影线，以所述第二三角网为依据，内插生成所述中桩横断面图。
6.根据权利要求5所述的ー种高速公路改扩建勘测方法，其特征在于，所述获取机载地面点云，以所述高精度车载地面点云为控制參考，对所述测区机载LIDAR航测原始点云成果进行点云平差和精度优化具体包括 对所述测区机载LIDAR航测原始点云成果进行地面滤波分类，获取机载地面点云；在所述专业数据处理软件环境中分别导入所述高精度车载地面点云和所述机载地面点云；沿公路测线每隔一段判读所述高精度车载地面点云和所述机载地面点云的匹配情况，选取判读点位，以所述高精度车载地面点云和所述机载地面点云上到所述判读点位最近的ー对点作为控制特征參考，建立一一映射关系，构建无缝线性内插改正模型；以所述无缝线性内插改正模型和所述映射关系为基础实现所述车载地面点云的数据平差和精度优化。
7.根据权利要求6所述的ー种高速公路改扩建勘测方法，其特征在于，所述以所述机载测量原始数据成果为基础，通过集成机载地面点云和数码航片进行高速公路两侧各300米范围内I : 2000比例尺数字线划图的制作具体包括 1)在所述机载地面点云基础上，通过设置等高线间距，通过专业数据处理软件自动生成等高线要素，同时对等高线线条进行平滑编辑，获取符合国标的所述等高线； 2)对所述数码航片进行空三加密处理，获取航片空三加密成果和数码相机几何畸变模型；对所述空三加密成果进行文件数据格式转换；以所述数码相机几何畸变模型为參考，对所述数码航片进行几何畸变改正；导入格式转换后的空三加密成果和几何畸变改正后的数码航片，构建所述立体像对观测环境，实现对平面地物要素采集测图，获取平面地物要素线划成果； 3)对所述等高线和所述平面地物要素线划成果进行集成，获取所述I: 2000比例尺数字线划图。
全文摘要
本发明公开了一种高速公路改扩建勘测方法，涉及测绘和公路工程设计领域，布设地面靶标控制点，获取三维空间坐标；进行车载移动激光扫描测量，获取车载测量原始数据成果；以地面靶标控制点的三维空间坐标为参考，对车载测量原始数据成果中的车载点云进行数据处理，获取高精度车载地面点云；对高精度车载地面点云构建第一三角网，生成高速公路路面数字高程模型；进行测区机载LIDAR航测，获取机载测量原始数据成果；根据机载测量原始数据成果获取1∶2000比例尺数字高程模型和高精度中桩横断面图；以机载测量原始数据成果为基础，通过集成机载地面点云和数码航片进行高速公路两侧各300米范围内1∶2000比例尺数字线划图的制作。
文档编号G01C11/02GK102661736SQ201210154490
公开日2012年9月12日 申请日期2012年5月17日 优先权日2012年5月17日
发明者何航, 周泽兵, 李建平, 李文棋, 李新武, 江宇, 王国飞, 程三胜, 窦华成, 邓世军, 闫继扬, 陈春明 申请人:天津市星际空间地理信息工程有限公司