基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的公路勘測(cè)設(shè)計(jì)方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)屬于一種基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的公路勘測(cè)設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：步驟1、對(duì)LiDAR數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊預(yù)處理，步驟2、對(duì)LiDAR數(shù)據(jù)建立索引，步驟3、提取LiDAR數(shù)據(jù)的地形因子，步驟4、計(jì)算公路的縱斷面，步驟5、計(jì)算公路的橫斷面，本發(fā)明專利技術(shù)直接利用LiDAR數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)，計(jì)算公路設(shè)計(jì)中所需的縱橫斷面，實(shí)現(xiàn)了LiDAR數(shù)據(jù)直接生成公路縱橫斷面，省去了生成DOM和DEM的步驟，避免了因數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生的精度損失，提高了公路勘測(cè)設(shè)計(jì)的效率，縮短公路勘測(cè)設(shè)計(jì)的時(shí)間，同時(shí)顧及地形地貌對(duì)縱橫斷面的影響，綜合考慮了沿線自然地形、地質(zhì)、水文、氣候等因素對(duì)公路勘測(cè)設(shè)計(jì)造成的影響，對(duì)地形變化自適應(yīng)，方法實(shí)用性高，易于實(shí)現(xiàn)，滿足公路勘測(cè)設(shè)計(jì)行業(yè)的需求。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的公路勘測(cè)設(shè)計(jì)方法
本專利技術(shù)屬于測(cè)繪和公路勘測(cè)
，尤其涉及一種基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的公路勘測(cè)設(shè)計(jì)方法。
技術(shù)介紹
LiDAR—LightDetectionAndRanging，即光探測(cè)與測(cè)量。是利用GPS（GlobalPositionSystem）和IMU（InertialMeasurementUnit，慣性測(cè)量裝置）機(jī)載激光掃描。其所測(cè)得的數(shù)據(jù)為數(shù)字表面模型(DigitalSurfaceModel,DSM)的離散點(diǎn)表示，數(shù)據(jù)中含有空間三維信息和激光強(qiáng)度信息。LiDAR大致分為機(jī)載和地面兩大類，其中機(jī)載激光雷達(dá)是一種安裝在飛機(jī)上的機(jī)載激光探測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)，可以量測(cè)地面物體的三維坐標(biāo)。機(jī)載LiDAR是一種主動(dòng)式對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，是九十年代初首先由西方國家發(fā)展起來并投入商業(yè)化應(yīng)用的一門新興技術(shù)。它集成激光測(cè)距技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、慣性測(cè)量單元(IMU)/DGPS差分定位技術(shù)于一體，該技術(shù)在三維空間信息的實(shí)時(shí)獲取方面產(chǎn)生了重大突破，為獲取高時(shí)空分辨率地球空間信息提供了一種全新的技術(shù)手段。它具有自動(dòng)化程度高、受天氣影響小、數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短、精度高等特點(diǎn)。機(jī)載LiDAR傳感器發(fā)射的激光脈沖能部分地穿透樹林遮擋，直接獲取高精度三維地表地形數(shù)據(jù)。機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)經(jīng)過相關(guān)軟件數(shù)據(jù)處理后，可以生成高精度的數(shù)字地面模型DTM、等高線圖，具有傳統(tǒng)攝影測(cè)量和地面常規(guī)測(cè)量技術(shù)無法取代的優(yōu)越性，因此引起了測(cè)繪界的濃厚興趣。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用，使航測(cè)制圖如生成DEM、等高線和地物要素的自動(dòng)提取更加便捷，其地面數(shù)據(jù)通過軟件處理很容易合并到各種數(shù)字圖中。隨著以GPS、RS、GIS技術(shù)為基礎(chǔ)，以現(xiàn)代高分辨率衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)、全球重力場(chǎng)模型及空間信息分析技術(shù)為核心的對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，全球定位系統(tǒng)、航測(cè)遙感、高分辨率衛(wèi)星在公路的規(guī)劃、勘察、設(shè)計(jì)和信息化管理中得到了廣泛的應(yīng)用。由于實(shí)際公路勘測(cè)過程中對(duì)高程和效率的高要求，GPS-RTK(GPS-RealTimeKinematic)、高分辨率遙感技術(shù)、常規(guī)航測(cè)及低空航測(cè)精度都難以滿足公路測(cè)量的要求和建立公路數(shù)據(jù)庫的任務(wù)。如今在國外，機(jī)載LiDAR系統(tǒng)已經(jīng)用于公路的勘測(cè)設(shè)計(jì)和維護(hù)。當(dāng)前，雖然國內(nèi)也引進(jìn)了LiDAR設(shè)備與技術(shù)，在公路勘測(cè)選線、線路設(shè)計(jì)中已經(jīng)得到了應(yīng)用，但多數(shù)還需采用成熟的LiDAR數(shù)據(jù)處理軟件先得到DEM、DOM和DLG等產(chǎn)品，然后再將這些數(shù)據(jù)處理產(chǎn)品導(dǎo)入設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行公路的勘測(cè)和縱橫斷面設(shè)計(jì)等工序，這樣以來，由于增加了數(shù)據(jù)處理過程，必然會(huì)影響到精度的測(cè)量結(jié)果，同時(shí)增加了公路勘測(cè)的工序，減低了公路勘測(cè)的設(shè)計(jì)效率。此外，現(xiàn)有的公路縱橫斷面設(shè)計(jì)和生成往往沒有綜合考慮各方面的因素和要求，易造成公路勘測(cè)工作成本高，工期長，精度和質(zhì)量要求得不到保證。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足而提供一種基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的公路勘測(cè)設(shè)計(jì)方法，在顧及地形地貌影響的同時(shí)，省去了生成DOM和DEM的步驟，避免了因數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生的精度損失，提高了公路勘測(cè)設(shè)計(jì)的效率，滿足了公路勘測(cè)設(shè)計(jì)行業(yè)的需求。本專利技術(shù)的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的公路勘測(cè)設(shè)計(jì)方法，其特征在于：包括以下步驟：步驟1）、對(duì)LiDAR數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊預(yù)處理：首先，通過對(duì)LiDAR數(shù)據(jù)的遍歷或查詢?cè)獢?shù)據(jù)，得到LiDAR數(shù)據(jù)的坐標(biāo)范圍，然后，設(shè)置LiDAR數(shù)據(jù)分塊的網(wǎng)格大小，最后，根據(jù)LiDAR數(shù)據(jù)塊的大小，計(jì)算每一塊的范圍，據(jù)此計(jì)算每塊存儲(chǔ)的文件名并將該范圍內(nèi)的點(diǎn)云存儲(chǔ)為文件；步驟2）、對(duì)LiDAR數(shù)據(jù)建立索引：首先，根據(jù)步驟1得到的LiDAR數(shù)據(jù)坐標(biāo)范圍和網(wǎng)格大小建立第一層索引，然后，對(duì)每塊內(nèi)的LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立第二層空間索引，第二層索引采用KD樹索引，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢，最后，將第二層索引與第一層索引進(jìn)行空間關(guān)聯(lián)，將第二層索引的信息關(guān)聯(lián)到第一層索引的對(duì)應(yīng)位置；步驟3）、提取LiDAR數(shù)據(jù)的地形因子：根據(jù)LiDAR數(shù)據(jù)及其索引依次提取各LiDAR數(shù)據(jù)塊的地形因子；步驟4）、計(jì)算公路的縱斷面：根據(jù)LiDAR數(shù)據(jù)及索引提取縱斷面，根據(jù)公路設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)各地形因子進(jìn)行建模，從而對(duì)縱斷面進(jìn)行局部自適應(yīng)調(diào)整；步驟5）、計(jì)算公路的橫斷面：根據(jù)LiDAR數(shù)據(jù)及索引提取橫斷面，根據(jù)公路設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)各地形因子進(jìn)行建模，從而對(duì)橫斷面進(jìn)行局部自適應(yīng)調(diào)整。所述的LiDAR數(shù)據(jù)塊的地形因子包括坡度、坡向、坡長、平面曲率、剖面曲率、地形粗糙度、地形起伏度、高程變異系數(shù)、地表切割深度。所述的網(wǎng)格采用增量式方法進(jìn)行劃分，Newlat=Lat+AddLatNewlon=Lon+AddLon式中NewLat和NewLon是當(dāng)前一個(gè)網(wǎng)格右下角坐標(biāo)，Lat和Lon是前一個(gè)網(wǎng)格右下角坐標(biāo)，AddLat和AddLon是網(wǎng)格劃分增量。所述的步驟4中的計(jì)算公路縱斷面包括以下子步驟：①從公路主線起點(diǎn)開始，每隔L米（L根據(jù)具體情況設(shè)定）獲取公路主線上的點(diǎn)Vi(X，Y)，②基于LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用索引，查詢以Vi點(diǎn)為圓心，以R為半徑的圓內(nèi)的點(diǎn)，取其高程的距離加權(quán)平均值作為Vi點(diǎn)的高程，得到縱斷面數(shù)據(jù)的第i個(gè)點(diǎn)Vi(X，Y，Z)；③重復(fù)①②步驟，直到達(dá)到公路主線的終點(diǎn)；④將在公路主線上取到的n個(gè)點(diǎn)V1，V2，…，Vi，…，Vn依次連接，即可得到該公路的初始縱斷面數(shù)據(jù)；根據(jù)公路設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)各地形因子進(jìn)行建模，由地形建模結(jié)果對(duì)縱斷面進(jìn)行局部自適應(yīng)調(diào)整。所述的步驟5中的計(jì)算公路橫斷面包括以下子步驟：沿公路主線，從公路起點(diǎn)開始，每隔L米取公路上的點(diǎn)，最終得到點(diǎn)W1，W2，…，Wi，…，Wn；過點(diǎn)Wi作垂直于該點(diǎn)所在公路直線段的垂線段V，設(shè)定垂線段長度為S（S根據(jù)具體情況設(shè)定）米，且點(diǎn)Wi為垂線段的中點(diǎn)。從線段V一端開始，每隔s（s根據(jù)具體情況設(shè)定，）米取點(diǎn)，得到點(diǎn)P1，P2，…，Pn，基于LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及建立的索引，獲取以Pi點(diǎn)為圓心，R為半徑的圓內(nèi)的所有的點(diǎn)，求其高程的加權(quán)平均值作為Pi的高程。重復(fù)這一步，最終獲取該垂線段V上所有點(diǎn)P1，P2，…，Pi，…，Pn的高程值Hi，H2，…，Hi，…，Hn，以及橫斷面數(shù)據(jù)的坐標(biāo)（V1，Hi），（V2，H2），…，（V1，Hi），…，（Vn，Hn），其中vi是Pi到垂線段起點(diǎn)的距離，Hi為該點(diǎn)的高程值，將點(diǎn)P1，P2，…，Pi，…，Pn依次連接，即可得到點(diǎn)Wi處公路的初始橫斷面數(shù)據(jù)；根據(jù)公路設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)各地形因子進(jìn)行建模，由地形建模結(jié)果對(duì)橫斷面進(jìn)行局部自適應(yīng)調(diào)整；④重復(fù)第步驟，直到生成所有點(diǎn)W1，W2，…，Wi，…，Wn的橫斷面數(shù)據(jù)，并將各個(gè)點(diǎn)的橫斷面數(shù)據(jù)依次由下而上進(jìn)行排列，即得到了該公路的橫斷面數(shù)據(jù)。本專利技術(shù)具有如下積極效果：1，本專利技術(shù)直接利用LiDAR數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)，通過劃分?jǐn)?shù)據(jù)塊來構(gòu)建用于快速檢索的兩層索引機(jī)制，計(jì)算公路設(shè)計(jì)中所需的縱橫斷面，實(shí)現(xiàn)了LiDAR數(shù)據(jù)直接生成公路縱橫斷面，提高了公路勘測(cè)設(shè)計(jì)的效率，縮短公路勘測(cè)設(shè)計(jì)的時(shí)間；2，本專利技術(shù)嚴(yán)格符合《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定，充分顧及地形地貌對(duì)縱橫斷面的影響，綜合考慮了沿線自然地形、地質(zhì)、水文、氣候等因素對(duì)公路勘測(cè)設(shè)計(jì)造成的影響，對(duì)地形變化自適應(yīng)，方法實(shí)用性高，易于實(shí)現(xiàn)；3，本專利技術(shù)從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，盡量考慮填挖均衡，以此降低工程造價(jià)，并本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的公路勘測(cè)設(shè)計(jì)方法，其特征在于：包括以下步驟：步驟1）、對(duì)LiDAR數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊預(yù)處理：首先，通過對(duì)LiDAR數(shù)據(jù)的遍歷或查詢?cè)獢?shù)據(jù)，得到LiDAR數(shù)據(jù)的坐標(biāo)范圍，然后，設(shè)置LiDAR數(shù)據(jù)分塊的網(wǎng)格大小，最后，根據(jù)LiDAR數(shù)據(jù)塊的大小，計(jì)算每一塊的范圍，據(jù)此計(jì)算每塊存儲(chǔ)的文件名并將該范圍內(nèi)的點(diǎn)云存儲(chǔ)為文件；步驟2）、對(duì)LiDAR數(shù)據(jù)建立索引：首先，根據(jù)步驟1得到的LiDAR數(shù)據(jù)坐標(biāo)范圍和網(wǎng)格大小建立第一層索引，然后，對(duì)每塊內(nèi)的LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立第二層空間索引，第二層索引采用KD樹索引，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢，最后，將第二層索引與第一層索引進(jìn)行空間關(guān)聯(lián)，將第二層索引的信息關(guān)聯(lián)到第一層索引的對(duì)應(yīng)位置；步驟3）、提取LiDAR數(shù)據(jù)的地形因子：根據(jù)LiDAR數(shù)據(jù)及其索引依次提取各LiDAR數(shù)據(jù)塊的地形因子；步驟4）、計(jì)算公路的縱斷面：根據(jù)LiDAR數(shù)據(jù)及索引提取縱斷面，根據(jù)公路設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)各地形因子進(jìn)行建模，從而對(duì)縱斷面進(jìn)行局部自適應(yīng)調(diào)整；步驟5）、計(jì)算公路的橫斷面：根據(jù)LiDAR數(shù)據(jù)及索引提取橫斷面，根據(jù)公路設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)各地形因子進(jìn)行建模，從而對(duì)橫斷面進(jìn)行局部自適應(yīng)調(diào)整。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的公路勘測(cè)設(shè)計(jì)方法，其特征在于：包括以下步驟：步驟1）、對(duì)LiDAR數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊預(yù)處理：首先，通過對(duì)LiDAR數(shù)據(jù)的遍歷或查詢?cè)獢?shù)據(jù)，得到LiDAR數(shù)據(jù)的坐標(biāo)范圍，然后，設(shè)置LiDAR數(shù)據(jù)分塊的網(wǎng)格大小，最后，根據(jù)LiDAR數(shù)據(jù)塊的大小，計(jì)算每一塊的范圍，據(jù)此計(jì)算每塊存儲(chǔ)的文件名并將該范圍內(nèi)的點(diǎn)云存儲(chǔ)為文件；步驟2）、對(duì)LiDAR數(shù)據(jù)建立索引：首先，根據(jù)步驟1得到的LiDAR數(shù)據(jù)坐標(biāo)范圍和網(wǎng)格大小建立第一層索引，然后，對(duì)每塊內(nèi)的LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立第二層空間索引，第二層索引采用KD樹索引，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢，最后，將第二層索引與第一層索引進(jìn)行空間關(guān)聯(lián)，將第二層索引的信息關(guān)聯(lián)到第一層索引的對(duì)應(yīng)位置；步驟3）、提取LiDAR數(shù)據(jù)的地形因子：根據(jù)LiDAR數(shù)據(jù)及其索引依次提取各LiDAR數(shù)據(jù)塊的地形因子；步驟4）、計(jì)算公路的縱斷面：根據(jù)LiDAR數(shù)據(jù)及索引提取縱斷面，根據(jù)公路設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)各地形因子進(jìn)行建模，從而對(duì)縱斷面進(jìn)行局部自適應(yīng)調(diào)整；步驟5）、計(jì)算公路的橫斷面：根據(jù)LiDAR數(shù)據(jù)及索引提取橫斷面，根據(jù)公路設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)各地形因子進(jìn)行建模，從而對(duì)橫斷面進(jìn)行局部自適應(yīng)調(diào)整；其中，所述的步驟4中的計(jì)算公路縱斷面包括以下子步驟：①從公路主線起點(diǎn)開始，每隔L米，L根據(jù)具體情況設(shè)定，獲取公路主線上的點(diǎn)Vi(X，Y)；②基于LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用索引，查詢以Vi點(diǎn)為圓心，以R為半徑的圓內(nèi)的點(diǎn)，取其高程的距離加權(quán)平均值作為Vi點(diǎn)的高程，得到縱斷面數(shù)據(jù)的第i個(gè)點(diǎn)Vi(X，Y，Z)；③重復(fù)①②步驟，直到達(dá)到公路主線的終點(diǎn)；④將在公路主線上取到的n個(gè)點(diǎn)V1，V2，…，Vi，…，Vn依次連接，即可得到該公路的初始縱斷面數(shù)據(jù)；根據(jù)公路設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)各地形因子進(jìn)行建模，由地形建模結(jié)果對(duì)縱斷面進(jìn)行局部自適應(yīng)調(diào)整...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王世杰，馬捷，蘇沛東，陳金旺，萬進(jìn)，杜占軍，馬松江，馬炅，萬繼志，付大喜，楚斌，康健，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：河南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，
類型：發(fā)明
國別省市：河南;41