省級高精度DEM 在道路勘測設計中的應用研究

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

機載激光雷達測量技術是激光技術、計算機技術、高動態載體姿態測定技術和高精度動態GPS 差分定位技術的集成技術應用體系，目前主要用于獲取高精度的數字表面模型（DSM）及數字高程模型(DEM)。機載激光雷達（LiDAR）測量系統獲取的海量三維激光腳點坐標，經過預處理及后處理后，就形成了數字表面模型（DSM）和分類濾波后的數字高程模型（DEM）。結合其他輔助信息，主要生產各類具有三維空間位置信息的產品以供應用。如, 通過濾波生產數字高程模型（DEM）；生產地形圖；自動生成石油管道、電力線等斷面圖；對地面目標進行分類[1]；自動或半自動提取密度較高的城區的房屋及道路；數字三維城市景觀的建模和虛擬現實；海岸線提取及海岸環境監測[2，3]；城市規劃；道路設計[4]；自然災害的三維實時監測[5]。其中，LiDAR 技術在道路勘測設計領域獲得了眾多應用[6-11]，利用LiDAR 數據所獲取的高精度DEM 開展道路勘測設計中的縱橫斷面信息提取，促進道路勘測設計一體化，減少外業勞動密度和強度，提高設計效率并降低生產成本。但這些應用多以LiDAR 技術開展道路高程數據獲取，成本高，如果利用已有基于LiDAR 技術構建的省級高精度DEM 數據，則可降低生產成本、提高生產效率。本文以山西省機載激光雷達（LiDAR）測量系統所建立高精度DEM 提取橫斷面數據與臨汾永和沿黃河旅游公路勘測中橫斷面實測數據開展對比試驗，驗證了省級高精度DEM 在道路勘測設計中橫斷面數據提取的可行性，為省級高精度DEM 在道路勘測設計領域的應用提供實踐支持。

1.DEM 在道路勘測設計中的應用

傳統的“勞動密集+體力+經驗”的道路設計模式不能滿足我國道路建設發展規劃的要求，因此，必須采用高效能的技術，即將計算機及數字高程模型引入到道路勘測設計中去。

線路勘測地形數據采集與處理的自動化和DEM技術、工程數據庫、線路CAD 緊密結合成一個有機的整體，可實現地面數據采集、資料獲取、數據處理、道路設計與優化直至成果輸出等線路勘測設計全過程都自動傳遞，達到勘測與設計信息的真正共享，形成覆蓋數據采集與處理、線路初步設計、施工設計到輸出設計文件的路線設計全過程的一體化。

公路勘測設計一體化涉及線路從規劃、方案比較、初步設計到施工設計的各個環節。公路勘測的數據采集與處理，是構成公路勘測設計一體化的重要基礎。對于數據處理部分，主要取決于DEM 技術的成熟、完善與應用。DEM 作為連接野外勘測（數據采集）與內業設計（CAD 系統）之間的紐帶和橋梁，在公路勘測設計一體化系統中起著至關重要的作用。在帶狀數字高程模型建立的基礎上，只要線路的平面線型一確定，便可由DEM 快速內插出該線路的縱橫斷面的地面線數據，配合線路CAD 系統快速完成該線路初步設計和施工設計。通過直接由DEM 與線路設計成果自動產生的帶狀地面景觀三維道路工程模型，能準確、客觀地反映道路修建后的真實情況，設計人員可通過從線形設計指標、工程量大小、線形景觀、道路與地形環境的配合與協調等多角度全面、客觀地評價線路設計成果，從而找出最佳設計方案。這對工程費用的降低，設計周期的縮短，設計質量的提高具有重要意義。

DEM 用于公路設計的主要方面包括：平面曲線、縱斷面、橫斷面、土方量計算、透視圖。

2.數據與方法

2.1 山西省高精度DEM 數據

山西省測繪地理信息院第一測繪院（原山西省測繪工程院）歷時五年（2009—2013）綜合利用機載激光雷達系統LiDAR（瑞士徠卡ALS60 測量系統）與數字航攝儀、機載GPS 及慣性導航系統INS，使用大容量高速計算機（高端服務器），采集山西省全省域范圍的原始激光掃描測量腳點數據和POS 數據，利用GrafVav/GrafNet 和IPAS PRO 軟件融合解算GPS/IMU數據，再用ALSPostProcesser 軟件釋放加載外方位元素的激光腳點數據即生成具有三維坐標的點云數據，點云數據的間距為3 米。點云數據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（Ground 層）數據的數字高程模型（DEM），保留地面點（Ground 層）數據和非地面點（Vegetation 層）的數字地表模型（DSM）。共獲取DEM 和DSM 成果數據面積約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與植被覆蓋密集區，在山西省全省范圍內共布設3269 個均勻分布的檢查點，所有點位均進行了全野外測量檢查，結果表明：檢查點高程方向上的差值基本呈正態分布（正值1809 個，負值1460 個），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字高程模型建設精度指標。山西省高精度數字高程模型(DEM)采用國家統一的坐標基準（國家CGCS200）和高程基準（1985國家高程基準），最終成果的格網分辨率3.0 米。這項成果為大面積省域高精度數字高程模型建立及基礎地理信息數據快速獲取提供了技術參考與成果參考，同時也為基礎地理信息數據更新提供了技術參考。為山西省的經濟建設、國防建設及科學研究等提供多尺度基礎高程數據支持。

2.2 橫斷面測量

山西省某旅游公路設計等級為三級，參考《公路勘測規范》（JTG C10-2007）、《公路勘測細則》（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 技術進行道路法測量。

（2）橫斷面測量要求

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

橫斷面應反映地形、地物、地質的變化，并標注建筑物、土石分界等位置。

（3）橫斷面精度要求

橫斷面測量的高程、距離讀數取位至0.1 米。檢測限差應符合：

其中，為測點至中樁的水平距離（米）；為測點至中樁的高差（米）。

橫斷面測量的寬度應滿足路基及排水設計的需要，在此前提下，最小為單側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

3.1 橫斷面測量

橫斷面現場實際測量儀器及設備（如表1 所示）：

用GPS-RTK 法實測橫斷面點位348 個，作為本次精度評價的真值，實測橫斷面點位與山西省高精度DEM 套合結果（如圖 1 所示）：

3.2 高精度DEM 橫斷面點位提取

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

表1 儀器清單

圖1 實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的起伏狀況。利用山西省高精度數字高程模型的道路縱橫斷面自動提取軟件提取實測橫斷面對應點位的DEM 高程值。

3.3 高程精度評定

根據式（1）計算提取高程點的中誤差，用于評價提取點位高程的精度。

式中，

Hi為實測橫斷面點的高程；

hi為高精度DEM 提取橫斷面點的高程；

n 為高程點的個數；

Mh為高程中誤差。

4.結果與分析

4.1 結果

利用高精度DEM 橫斷面點位提取高程與實測高程，以式（1）求出中誤差后在Excel 中制作統計表（如表 2 所示）：

表2 實測橫斷面點位高程與提取高程的較

4.2 分析

（1）本次試驗橫斷面實測點位348 個，驗證用DEM面積約2 平方公里，對比實測橫斷面點位高程與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：本次試驗精度整體高于山西省高精度數字高程模型以全省范圍均勻布點的驗證精度，這與試驗區地處黃土區且地表裸露度好有關。

（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位與中樁之間的高差和距離有關，本次所取試驗區為臨汾市永和縣旅游道路設計等級為三級路，高程檢測互差應不超米。本次試驗結果的中誤差為0.104 米，試驗區內橫斷面線左右實測平距各為50 米，沿斷面線最小平距3 米，高差最小1 米，最大100 米左右。要保證橫斷面點位高程精度滿足規范要求，應使距離與高差最小時其檢測精度高于0.105 米。隨著距離與高差增大，高程檢測互差隨之增大，當平距與高差最大時限差達2.6 米。顯然，本次試驗的結果精度在平距與高差最小情況下略高于規范檢測精度要求，而在平距與高差最大情況下，則遠遠高于規范檢測精度要求。

(3)試驗區實測橫斷面與山西省高精度DEM 提取橫斷面高程對比試驗結果表明：所提取橫斷面精度符合規范要求，可以用于試驗區道路勘測設計。

5.結束語

山西省高精度DEM 成果目前已經應用于以下幾個方面：作為數字城市建設的試點省份，為數字晉中、數字忻州、數字昔陽和數字介休的數字城市三維建模中構建城市區域的三維可視化模型提供基礎DEM 數據；為山西省基礎測繪項目中1∶10000 比例尺DEM數據的更新及（DLG、DEM 以及等高線的自動生成、汾河流域1∶10000 基礎測繪、山西省各市縣基礎測繪）提供基礎DEM 數據，大大縮短了基礎測繪的時間，提高了效率，降低了測繪成本；國家地理國情普查項目中，為山西省域范圍內的遙感影像數據糾正正射影像處理提供基礎DEM 數據，極大地縮短了項目的生產周期，保障了地理國情普查項目的順利完成；在電力、水利選線帶狀數據建模(山西省電力設計院選線項目、山西省中部引黃水利工程項目）中提供高精度的DEM 數據。在這些應用的基礎上，本文將成果應用于公路勘測設計方向，以山西省某旅游公路實測縱橫斷面數據與成果提取數據進行比對，結果表明：所提取橫斷面精度符合規范要求，可以用于試驗區道路勘測設計中對道路橫斷面的提取，從而替代野外實際測量工作，提高設計效率，并減少設計成本。

但是，本文存在以下不足：

（1）在公路勘測設計方面的應用驗證場地較少，未進行全省范圍的均勻分布驗證，尤其是不同地貌區、不同地類區、不同地表覆蓋區的驗證，今后應補充這些地表類型區的驗證，以使成果在道路領域應用中更具可靠性。

（2）結合山西省高精度DEM 的精度及目前的應用方向，還可以應用到水土保持、水利建設、林業調查、地面沉降和塌陷監測等項目。同時也可得到全省地形地貌精確數據，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，為數字地貌研究與應用提供基礎數據。