李升甫

四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,成都 610000

我國(guó)高速公路通車(chē)總里程約16萬(wàn)千米,世界排名第一。在高速公路不斷新建的同時(shí),過(guò)去30年已經(jīng)建設(shè)完成的高速公路逐步進(jìn)入升級(jí)或改造的階段。高速公路擴(kuò)容改造,已成為當(dāng)前交通建設(shè)領(lǐng)域的主要任務(wù)之一。激光掃描數(shù)據(jù)從可獲取性、精度、效率、效益等多層面均能夠適應(yīng)高速公路改擴(kuò)建工程的特點(diǎn),是改擴(kuò)建工程空間信息采集和處理的一種有效方式。論文面向高速公路改擴(kuò)建工程需求,研究多源激光掃描數(shù)據(jù)集成處理與應(yīng)用過(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn),主要在以下5個(gè)方面開(kāi)展研究工作:

(1) 針對(duì)高速公路改擴(kuò)建工程的業(yè)務(wù)需求和激光掃描技術(shù)特點(diǎn),構(gòu)建了覆蓋高速公路激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、處理、應(yīng)用全過(guò)程的技術(shù)體系。首先結(jié)合公路細(xì)分專(zhuān)業(yè)分層次梳理總結(jié)了改擴(kuò)建業(yè)務(wù)的激光測(cè)繪信息需求;然后在評(píng)估多平臺(tái)激光信息的優(yōu)勢(shì)作用和應(yīng)用場(chǎng)景的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了適應(yīng)高速公路改擴(kuò)建業(yè)務(wù)的天空地激光掃描成套裝備方案;最后對(duì)高速公路激光掃描技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行了探索總結(jié),制定了高速公路要素信息編碼規(guī)則和激光測(cè)繪應(yīng)用技術(shù)指南,形成了面向應(yīng)用的覆蓋內(nèi)容較為全面的高速公路激光測(cè)繪技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。

(2) 車(chē)載激光掃描是獲取既有高速公路路面及附屬構(gòu)造物激光點(diǎn)云的主要手段。針對(duì)隧道環(huán)境下車(chē)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)位姿偏移的問(wèn)題,提出了一種基于特征點(diǎn)的車(chē)載點(diǎn)云幾何糾正方法。根據(jù)隧道環(huán)境下車(chē)載激光數(shù)據(jù)采集環(huán)境的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種在復(fù)雜隧道中可有效識(shí)別的標(biāo)靶,實(shí)現(xiàn)正常行駛狀態(tài)下標(biāo)靶中心點(diǎn)坐標(biāo)的精準(zhǔn)提取與計(jì)算,同時(shí)研究了不同隧道規(guī)模的差異化標(biāo)靶布設(shè)方案,實(shí)現(xiàn)車(chē)輛軌跡位姿的糾正和點(diǎn)云數(shù)據(jù)厘米級(jí)精度優(yōu)化。

(3) 多平臺(tái)激光點(diǎn)云彌補(bǔ)單一平臺(tái)帶來(lái)的數(shù)據(jù)缺失,實(shí)現(xiàn)高速公路及路域環(huán)境信息的全方位獲取。針對(duì)長(zhǎng)大帶狀線性工程中多平臺(tái)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)效果不佳的問(wèn)題,提出了基于“局部-全局”掃描網(wǎng)絡(luò)位姿圖構(gòu)建及優(yōu)化的多平臺(tái)點(diǎn)云配準(zhǔn)方法。首先基于VLAD算法構(gòu)建多平臺(tái)點(diǎn)云數(shù)據(jù)初始掃描網(wǎng)絡(luò)位姿圖,再通過(guò)點(diǎn)到面的Trimmed-ICP算法實(shí)現(xiàn)掃描網(wǎng)絡(luò)“局部”優(yōu)化,最后通過(guò)最小收斂環(huán)實(shí)現(xiàn)掃描網(wǎng)絡(luò)的“全局”優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果顯示,待配準(zhǔn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度明顯改善,平面精度優(yōu)于10 cm,高程精度優(yōu)于5 cm。

(4) 路域范圍內(nèi)地形與地物要素、中心線及路面幾何信息、單體構(gòu)造物屬性信息都是高速公路改擴(kuò)建過(guò)程中所需關(guān)鍵參數(shù)。為了改善現(xiàn)有方法的不足,提出了一種顧及地形突變特征的公路場(chǎng)景精細(xì)地貌計(jì)算方法;設(shè)計(jì)了一種由粗到精的路面點(diǎn)云提取策略,利用alpha-shape算法和Douglas-Peucker算法生成并優(yōu)化道路中心線,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了路面參數(shù)的自動(dòng)快速計(jì)算;針對(duì)路域范圍獨(dú)立構(gòu)造物和路面范圍連續(xù)及單體要素構(gòu)建了相應(yīng)的三維建模技術(shù)路線,積累了高速公路場(chǎng)景要素單體化模板庫(kù)。

(5) 面向高速公路改擴(kuò)建工程的設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)等多階段業(yè)務(wù)需求,開(kāi)發(fā)了高速公路激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)集成處理原型系統(tǒng),在成都至樂(lè)山、都江堰至汶川、雅安至西昌等多條典型高速公路及改擴(kuò)建工程中得到應(yīng)用,提高了4D產(chǎn)品的生產(chǎn)效率,革新了傳統(tǒng)道路中心線、平縱面地面線和橫斷面的獲取方式,實(shí)現(xiàn)了橋墩垂直度、路面平整度和路拱橫坡檢測(cè)等應(yīng)用,特別是要素模型單體化思路解決了改擴(kuò)建工程中多個(gè)階段應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。