王昕寧

（山西省測繪地理信息院第一測繪院，山西 太原 030002）

0.引言

機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)是激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、高動態(tài)載體姿態(tài)測定技術(shù)和高精度動態(tài)GPS 差分定位技術(shù)的集成技術(shù)應(yīng)用體系，目前主要用于獲取高精度的數(shù)字表面模型（DSM）及數(shù)字高程模型(DEM)。機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR）測量系統(tǒng)獲取的海量三維激光腳點(diǎn)坐標(biāo)，經(jīng)過預(yù)處理及后處理后，就形成了數(shù)字表面模型（DSM）和分類濾波后的數(shù)字高程模型（DEM）。結(jié)合其他輔助信息，主要生產(chǎn)各類具有三維空間位置信息的產(chǎn)品以供應(yīng)用。如, 通過濾波生產(chǎn)數(shù)字高程模型（DEM）；生產(chǎn)地形圖；自動生成石油管道、電力線等斷面圖；對地面目標(biāo)進(jìn)行分類[1]；自動或半自動提取密度較高的城區(qū)的房屋及道路；數(shù)字三維城市景觀的建模和虛擬現(xiàn)實(shí)；海岸線提取及海岸環(huán)境監(jiān)測[2，3]；城市規(guī)劃；道路設(shè)計(jì)[4]；自然災(zāi)害的三維實(shí)時(shí)監(jiān)測[5]。其中，LiDAR 技術(shù)在道路勘測設(shè)計(jì)領(lǐng)域獲得了眾多應(yīng)用[6-11]，利用LiDAR 數(shù)據(jù)所獲取的高精度DEM 開展道路勘測設(shè)計(jì)中的縱橫斷面信息提取，促進(jìn)道路勘測設(shè)計(jì)一體化，減少外業(yè)勞動密度和強(qiáng)度，提高設(shè)計(jì)效率并降低生產(chǎn)成本。但這些應(yīng)用多以LiDAR 技術(shù)開展道路高程數(shù)據(jù)獲取，成本高，如果利用已有基于LiDAR 技術(shù)構(gòu)建的省級高精度DEM 數(shù)據(jù)，則可降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率。本文以山西省機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR）測量系統(tǒng)所建立高精度DEM 提取橫斷面數(shù)據(jù)與臨汾永和沿黃河旅游公路勘測中橫斷面實(shí)測數(shù)據(jù)開展對比試驗(yàn)，驗(yàn)證了省級高精度DEM 在道路勘測設(shè)計(jì)中橫斷面數(shù)據(jù)提取的可行性，為省級高精度DEM 在道路勘測設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用提供實(shí)踐支持。

1.DEM 在道路勘測設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的“勞動密集+體力+經(jīng)驗(yàn)”的道路設(shè)計(jì)模式不能滿足我國道路建設(shè)發(fā)展規(guī)劃的要求，因此，必須采用高效能的技術(shù)，即將計(jì)算機(jī)及數(shù)字高程模型引入到道路勘測設(shè)計(jì)中去。

線路勘測地形數(shù)據(jù)采集與處理的自動化和DEM技術(shù)、工程數(shù)據(jù)庫、線路CAD 緊密結(jié)合成一個(gè)有機(jī)的整體，可實(shí)現(xiàn)地面數(shù)據(jù)采集、資料獲取、數(shù)據(jù)處理、道路設(shè)計(jì)與優(yōu)化直至成果輸出等線路勘測設(shè)計(jì)全過程都自動傳遞，達(dá)到勘測與設(shè)計(jì)信息的真正共享，形成覆蓋數(shù)據(jù)采集與處理、線路初步設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)到輸出設(shè)計(jì)文件的路線設(shè)計(jì)全過程的一體化。

公路勘測設(shè)計(jì)一體化涉及線路從規(guī)劃、方案比較、初步設(shè)計(jì)到施工設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)。公路勘測的數(shù)據(jù)采集與處理，是構(gòu)成公路勘測設(shè)計(jì)一體化的重要基礎(chǔ)。對于數(shù)據(jù)處理部分，主要取決于DEM 技術(shù)的成熟、完善與應(yīng)用。DEM 作為連接野外勘測（數(shù)據(jù)采集）與內(nèi)業(yè)設(shè)計(jì)（CAD 系統(tǒng)）之間的紐帶和橋梁，在公路勘測設(shè)計(jì)一體化系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。在帶狀數(shù)字高程模型建立的基礎(chǔ)上，只要線路的平面線型一確定，便可由DEM 快速內(nèi)插出該線路的縱橫斷面的地面線數(shù)據(jù)，配合線路CAD 系統(tǒng)快速完成該線路初步設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)。通過直接由DEM 與線路設(shè)計(jì)成果自動產(chǎn)生的帶狀地面景觀三維道路工程模型，能準(zhǔn)確、客觀地反映道路修建后的真實(shí)情況，設(shè)計(jì)人員可通過從線形設(shè)計(jì)指標(biāo)、工程量大小、線形景觀、道路與地形環(huán)境的配合與協(xié)調(diào)等多角度全面、客觀地評價(jià)線路設(shè)計(jì)成果，從而找出最佳設(shè)計(jì)方案。這對工程費(fèi)用的降低，設(shè)計(jì)周期的縮短，設(shè)計(jì)質(zhì)量的提高具有重要意義。

DEM 用于公路設(shè)計(jì)的主要方面包括：平面曲線、縱斷面、橫斷面、土方量計(jì)算、透視圖。

2.數(shù)據(jù)與方法

2.1 山西省高精度DEM 數(shù)據(jù)

山西省測繪地理信息院第一測繪院（原山西省測繪工程院）歷時(shí)五年（2009—2013）綜合利用機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)LiDAR（瑞士徠卡ALS60 測量系統(tǒng)）與數(shù)字航攝儀、機(jī)載GPS 及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS，使用大容量高速計(jì)算機(jī)（高端服務(wù)器），采集山西省全省域范圍的原始激光掃描測量腳點(diǎn)數(shù)據(jù)和POS 數(shù)據(jù)，利用GrafVav/GrafNet 和IPAS PRO 軟件融合解算GPS/IMU數(shù)據(jù)，再用ALSPostProcesser 軟件釋放加載外方位元素的激光腳點(diǎn)數(shù)據(jù)即生成具有三維坐標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的間距為3 米。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度糾正和分類濾波處理工作主要利用芬蘭TerraSolid 軟件，生成只保留地面點(diǎn)（Ground 層）數(shù)據(jù)的數(shù)字高程模型（DEM），保留地面點(diǎn)（Ground 層）數(shù)據(jù)和非地面點(diǎn)（Vegetation 層）的數(shù)字地表模型（DSM）。共獲取DEM 和DSM 成果數(shù)據(jù)面積約158000 平方公里。為了確保成果的可靠性，綜合考慮山西省黃土裸露區(qū)與植被覆蓋密集區(qū)，在山西省全省范圍內(nèi)共布設(shè)3269 個(gè)均勻分布的檢查點(diǎn)，所有點(diǎn)位均進(jìn)行了全野外測量檢查，結(jié)果表明：檢查點(diǎn)高程方向上的差值基本呈正態(tài)分布（正值1809 個(gè)，負(fù)值1460 個(gè)），MAX△H：+0.66 米，MIN△H：-0.78 米，高程中誤差：0.15 米，完全符合省級高精度數(shù)字高程模型建設(shè)精度指標(biāo)。山西省高精度數(shù)字高程模型(DEM)采用國家統(tǒng)一的坐標(biāo)基準(zhǔn)（國家CGCS200）和高程基準(zhǔn)（1985國家高程基準(zhǔn)），最終成果的格網(wǎng)分辨率3.0 米。這項(xiàng)成果為大面積省域高精度數(shù)字高程模型建立及基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)快速獲取提供了技術(shù)參考與成果參考，同時(shí)也為基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)更新提供了技術(shù)參考。為山西省的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)及科學(xué)研究等提供多尺度基礎(chǔ)高程數(shù)據(jù)支持。

2.2 橫斷面測量

山西省某旅游公路設(shè)計(jì)等級為三級，參考《公路勘測規(guī)范》（JTG C10-2007）、《公路勘測細(xì)則》（JTG/T C10-2007），橫斷面測量的要求如下：

（1）橫斷面測量方法

采用全站儀或GPS-RTK 技術(shù)進(jìn)行道路法測量。

（2）橫斷面測量要求

橫斷面測量應(yīng)按照中樁逐樁施測，其方向直線段應(yīng)與路線中線垂直，曲線段應(yīng)與測點(diǎn)的切線垂直。要真實(shí)反映出地面線。

橫斷面應(yīng)反映地形、地物、地質(zhì)的變化，并標(biāo)注建筑物、土石分界等位置。

（3）橫斷面精度要求

橫斷面測量的高程、距離讀數(shù)取位至0.1 米。檢測限差應(yīng)符合：

其中，為測點(diǎn)至中樁的水平距離（米）；為測點(diǎn)至中樁的高差（米）。

橫斷面測量的寬度應(yīng)滿足路基及排水設(shè)計(jì)的需要，在此前提下，最小為單側(cè)50 米（一般為每邊50 米），特殊地段如滑坡、巖堆、塌方地段要測到坡口以外水平距離20 米以外；高填方地段應(yīng)大于50 米，高挖方地段水平距離要大于100 米。

3. 橫斷面DEM 提取高程值與測量高程值對比試驗(yàn)

3.1 橫斷面測量

橫斷面現(xiàn)場實(shí)際測量儀器及設(shè)備（如表1 所示）：

用GPS-RTK 法實(shí)測橫斷面點(diǎn)位348 個(gè)，作為本次精度評價(jià)的真值，實(shí)測橫斷面點(diǎn)位與山西省高精度DEM 套合結(jié)果（如圖 1 所示）：

3.2 高精度DEM 橫斷面點(diǎn)位提取

從DEM 可以很方便地制作任一方向上的地形斷面。根據(jù)工程設(shè)計(jì)的路線，只要知道所繪制斷面線在DEM 中的起點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置，就可以唯一確定其與DEM 格網(wǎng)的各個(gè)交點(diǎn)的平面位置和高程，以及斷面線上相鄰交點(diǎn)之間的距離，然后按選定的垂直比例尺和水平比例尺，就可根據(jù)距離和高程自動繪出地形斷面圖。

表1 儀器清單

圖1 實(shí)測橫斷面與山西省高精度DEM 套合圖

道路橫斷面是在縱斷面的基礎(chǔ)上生成的，縱斷面可以反映地表起伏走勢，而橫斷面則可以判斷地表在道路兩側(cè)的起伏狀況。利用山西省高精度數(shù)字高程模型的道路縱橫斷面自動提取軟件提取實(shí)測橫斷面對應(yīng)點(diǎn)位的DEM 高程值。

3.3 高程精度評定

根據(jù)式（1）計(jì)算提取高程點(diǎn)的中誤差，用于評價(jià)提取點(diǎn)位高程的精度。

式中，

Hi為實(shí)測橫斷面點(diǎn)的高程；

hi為高精度DEM 提取橫斷面點(diǎn)的高程；

n 為高程點(diǎn)的個(gè)數(shù)；

Mh為高程中誤差。

4.結(jié)果與分析

4.1 結(jié)果

利用高精度DEM 橫斷面點(diǎn)位提取高程與實(shí)測高程，以式（1）求出中誤差后在Excel 中制作統(tǒng)計(jì)表（如表 2 所示）：

表2 實(shí)測橫斷面點(diǎn)位高程與提取高程的較

4.2 分析

（1）本次試驗(yàn)橫斷面實(shí)測點(diǎn)位348 個(gè)，驗(yàn)證用DEM面積約2 平方公里，對比實(shí)測橫斷面點(diǎn)位高程與DEM提 取 高 程 ，得 到 ：Max △H：+0.21 米 ，Min △H：-0.08 米，高程中誤差：0.104 米。與山西省高精度DEM的高程精度比較，可以看出：本次試驗(yàn)精度整體高于山西省高精度數(shù)字高程模型以全省范圍均勻布點(diǎn)的驗(yàn)證精度，這與試驗(yàn)區(qū)地處黃土區(qū)且地表裸露度好有關(guān)。

（2）由2.2 橫斷面測量精度要求可以看出，橫斷面高程檢測的精度要求與橫斷面上點(diǎn)位與中樁之間的高差和距離有關(guān)，本次所取試驗(yàn)區(qū)為臨汾市永和縣旅游道路設(shè)計(jì)等級為三級路，高程檢測互差應(yīng)不超米。本次試驗(yàn)結(jié)果的中誤差為0.104 米，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)橫斷面線左右實(shí)測平距各為50 米，沿?cái)嗝婢€最小平距3 米，高差最小1 米，最大100 米左右。要保證橫斷面點(diǎn)位高程精度滿足規(guī)范要求，應(yīng)使距離與高差最小時(shí)其檢測精度高于0.105 米。隨著距離與高差增大，高程檢測互差隨之增大，當(dāng)平距與高差最大時(shí)限差達(dá)2.6 米。顯然，本次試驗(yàn)的結(jié)果精度在平距與高差最小情況下略高于規(guī)范檢測精度要求，而在平距與高差最大情況下，則遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于規(guī)范檢測精度要求。

(3)試驗(yàn)區(qū)實(shí)測橫斷面與山西省高精度DEM 提取橫斷面高程對比試驗(yàn)結(jié)果表明：所提取橫斷面精度符合規(guī)范要求，可以用于試驗(yàn)區(qū)道路勘測設(shè)計(jì)。

5.結(jié)束語

山西省高精度DEM 成果目前已經(jīng)應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：作為數(shù)字城市建設(shè)的試點(diǎn)省份，為數(shù)字晉中、數(shù)字忻州、數(shù)字昔陽和數(shù)字介休的數(shù)字城市三維建模中構(gòu)建城市區(qū)域的三維可視化模型提供基礎(chǔ)DEM 數(shù)據(jù)；為山西省基礎(chǔ)測繪項(xiàng)目中1∶10000 比例尺DEM數(shù)據(jù)的更新及（DLG、DEM 以及等高線的自動生成、汾河流域1∶10000 基礎(chǔ)測繪、山西省各市縣基礎(chǔ)測繪）提供基礎(chǔ)DEM 數(shù)據(jù)，大大縮短了基礎(chǔ)測繪的時(shí)間，提高了效率，降低了測繪成本；國家地理國情普查項(xiàng)目中，為山西省域范圍內(nèi)的遙感影像數(shù)據(jù)糾正正射影像處理提供基礎(chǔ)DEM 數(shù)據(jù)，極大地縮短了項(xiàng)目的生產(chǎn)周期，保障了地理國情普查項(xiàng)目的順利完成；在電力、水利選線帶狀數(shù)據(jù)建模(山西省電力設(shè)計(jì)院選線項(xiàng)目、山西省中部引黃水利工程項(xiàng)目）中提供高精度的DEM 數(shù)據(jù)。在這些應(yīng)用的基礎(chǔ)上，本文將成果應(yīng)用于公路勘測設(shè)計(jì)方向，以山西省某旅游公路實(shí)測縱橫斷面數(shù)據(jù)與成果提取數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，結(jié)果表明：所提取橫斷面精度符合規(guī)范要求，可以用于試驗(yàn)區(qū)道路勘測設(shè)計(jì)中對道路橫斷面的提取，從而替代野外實(shí)際測量工作，提高設(shè)計(jì)效率，并減少設(shè)計(jì)成本。

但是，本文存在以下不足：

（1）在公路勘測設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用驗(yàn)證場地較少，未進(jìn)行全省范圍的均勻分布驗(yàn)證，尤其是不同地貌區(qū)、不同地類區(qū)、不同地表覆蓋區(qū)的驗(yàn)證，今后應(yīng)補(bǔ)充這些地表類型區(qū)的驗(yàn)證，以使成果在道路領(lǐng)域應(yīng)用中更具可靠性。

（2）結(jié)合山西省高精度DEM 的精度及目前的應(yīng)用方向，還可以應(yīng)用到水土保持、水利建設(shè)、林業(yè)調(diào)查、地面沉降和塌陷監(jiān)測等項(xiàng)目。同時(shí)也可得到全省地形地貌精確數(shù)據(jù)，比如全省最高、最低等位置和高度信息，坡度坡向等地形地貌特征，為數(shù)字地貌研究與應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。