基于FME 的點云數據生成公路縱橫斷面解決方案

鄒世鋒，陶彣君*，秦昌威，華 輝

（1. 湖北省國土測繪院，湖北 武漢 430010）

公路建設是我國經濟社會發展的重要支撐。公路縱橫斷面圖是公路設計中不可或缺的重要基礎資料，能直觀反映公路與地形地貌之間的關系，為工程量計算、施工和養護提供重要依據。傳統的公路縱橫斷面測量主要依靠人工或接觸式儀器設備，不僅效率低、精度差、成本高，而且還可能存在安全隱患或環境影響等問題，難以滿足現代公路設計的要求[1-3]。

近年來，激光雷達（LiDAR）技術逐漸被應用于公路縱橫斷面測量中[4-7]。LiDAR技術利用激光束掃描地面目標，根據反射信號的時間差和強度差計算目標位置、形狀和屬性等信息，從而生成高密度、高精度、高可視化的三維點云數據，具有測量速度快、覆蓋范圍廣、精度高、抗干擾能力強等特點，可有效解決傳統方法在復雜地形條件下存在的測量難題，并在公路設計行業中得到了廣泛應用[8-10]。

LiDAR點云數據通常以LAS格式存儲，但國內大多數主流道路設計軟件（緯地、EICAD等）能處理的數據多為文本文件或DWG格式[11]，因此這些軟件基本上僅能進行高程點抽稀或DEM高程信息提取，很難高效讀取大規模LAS格式點云數據，限制了LiDAR點云數據在公路設計中的應用。

為實現LAS點云數據與主流道路設計軟件格式的兼容，本文基于FME平臺開發了一款利用點云生成道路縱橫斷面的程序，不僅能將點云數據轉換為傳統道路設計軟件支持的縱橫斷面數據格式（文本或DWG），還可與緯地或EICAD 等道路設計軟件進行無縫銜接。通過這種方式，公路設計單位可直接利用點云數據進行道路設計，從而提高了設計效率和質量。

1 基于FME的點云數據生成算法

1.1 算法思路

不規則三角形格網（TIN）[12-13]能直觀反映地表起伏形態，由一系列相鄰且不重疊的三角形組成。在進行道路設計時，需顧及諸多道路縱橫斷面上的關鍵點[14-16]，這些關鍵點是TIN 中三角形與公路縱橫斷面設計相交的點，其高程信息能反映公路橫斷面與地形表面之間的高差和坡度，為進一步的道路設計提供數據支撐。關鍵點可分為路基關鍵點、路面關鍵點和設施關鍵點3 類，路基關鍵點主要包括路基中心線、路肩外緣、邊溝外緣、邊坡等與TIN的交點；路面關鍵點主要包括車行道外緣、分隔帶外緣等與TIN的交點以及超高變化點等；設施關鍵點主要包括擋土墻頂部、護坡道頂部、截水溝底部、取土坑底部等與TIN的交點。

為繪制更貼合實地地形的縱橫斷面圖，公路設計時采用LiDAR方式采集海量LAS格式的點云數據，讀取點云數據生成TIN文件；再根據公路設計時提供的中心線和逐樁坐標數據計算得到每個樁坐標的法向量，該法向量將穿過多個TIN的三角形，這些交點即為最終的三維坐標數據。繪制橫斷面圖時采用非等距離采樣方法，即選取橫斷面線與TIN的所有相交點作為采樣點，以最大限度地保證所繪制的斷面線與實地貼合。因點云數據密度和精度很高，一般為毫米級，因此利用該方式采樣的點位密度極高，能精確反映地面的起伏變化。

1.2 算法設計

基于算法思路，結合實際公路設計需求和FME平臺的特性，算法的具體步驟為：①選取待設計公路的設計線數據、樁號和左右寬數據、符合精度要求的點云LAS數據作為輸入數據源，可通過其他軟件導出或手工錄入的方式獲取，利用設計線數據、樁號和左右寬數據生成每個橫斷面的橫斷面切線，用于后續橫斷面與TIN的相交計算，以求取交點數據作為橫斷面線的地面采樣點數據，利用地面點云LAS數據生成地面的TIN 文件；②根據橫斷面切線和TIN 生成三維的橫斷面貼地線，即橫斷面采樣點所連成的折線；③根據橫斷面貼地線生成沿線路前進方向的橫斷面圖，主要用于數據質檢和優化；④橫斷面圖檢測優化無誤后，按照抬桿法和相對中樁法的格式要求生成對應的橫斷面CSV數據文件；⑤在專業的公路設計軟件中，以生成的精確橫斷面數據為基礎數據，完成相應的公路設計工作。

2 程序設計與實現

2.1 基礎數據要求

要實現數據的批量處理，應采用符合規定格式要求的數據作為輸入數據，經過程序自動處理，才能得到滿足要求的成果數據。程序要求輸入外業采集數據和設計數據，外業采集數據主要為點云數據，格式要求為LAS；設計數據包括設計線數據（dwg格式）、樁號和左右寬數據（Excel格式）兩類。由于LAS為標準點云數據格式，本文僅對設計數據格式進行介紹。

1）設計線數據（dwg 格式）。設計線為道路設計過程中的重要線，分為中心設計線（M）、左側設計線（L）、右側設計線（R）3 類。根據道路要求的不同，可能存在個別邊線缺失的情況。在設計線DWG 圖中，每組道路設計線均采用圖層分層來組織，圖層命名格式為“類型+起始里程”，如“L14000”表示該圖層為左側設計線，其起始里程為14000（圖1）。

圖1 設計線數據（dwg格式）示例

2）樁號和左右寬數據（Excel 格式）。樁號和左右寬數據又稱斷面信息數據，采用Excel 格式存儲（圖2），單位均為m，若為左側設計線，則左寬為必填項，右寬為選填項，如不填寫則右寬為該橫斷面線從左側設計線延伸至右側設計線的距離；若為右側設計線，則右寬為必填項，左寬為選填項；若為中間設計線，則需填寫完整的左寬和右寬。測量高程表示相應樁號的實測高程值，用于構建TIN。坐標東和坐標北只需在起點樁號處填寫，用于判定設計線的起始方向。

圖2 斷面信息表（Excel格式）

2.2 程序實現

FME軟件是一款空間數據轉換處理系統，內置超過400 個功能豐富的轉換器[17]。利用其對多源數據格式的讀寫支持和處理功能，可讀取點云數據LAS文件生成TIN，從設計線文件和逐樁表數據中提取橫斷面切線，再根據橫斷面切線和TIN生成三維橫斷面貼地線，并輸出橫斷面CSV文件等。

本文利用FME 2022 編寫點云生成縱橫斷面的解決方案（圖3），實現了點云數據公路斷面的全自動提取。該程序利用FME 的上百個轉換器來實現數據篩選、處理、轉換、輸出等功能。解決方案界面見圖4，Open區域為數據源參數，包括點云數據、設計線位圖和斷面樁號信息（斷面信息數據）3 項，用戶通過文件瀏覽即可完成參數設置；Para區域為斷面緩沖區參數，默認值為15 m，可根據點云數據密度和質量設置恰當的點云拾取距離；Save區域為成果輸出參數，用于設置成果文件的保存文件夾。

圖3 FME編寫的線路斷面自動提取方案

圖4 線路斷面自動提取方案運行界面

3 實驗驗證與分析

3.1 中間成果

設置好輸入數據源，程序將自動提取滿足點位密度要求的橫斷面數據點，包括橫斷面上所有特征點的高程和距離信息，并生成斷面數據文件。根據設計線的方向或角度，可提取豐富的斷面信息（圖5）。為直觀檢查橫斷面生成數據的質量，按照設計線線位順序和斷面信息依次生成dwg 格式的斷面圖，以圖形化的方式展示斷面變化（圖6）。用戶可在AutoCAD中直觀查看不同線位處的斷面形狀和尺寸，并進行相應調整和優化。

圖5 斷面信息提取界面

圖6 斷面圖界面

3.2 橫斷面CSV格式成果

經中間成果檢查和調整優化后，即可按照設計線、斷面數據和點云數據生成滿足要求的橫斷面CSV格式數據文件。抬桿法、相對中樁法橫斷面的CSV格式成果見圖7，兩種數據成果文件均按照道路設計軟件所需的格式進行成果輸出，數據格式保持一致，每個斷面處均包括里程、高程、距離、高差等信息。

圖7 抬桿法、相對中樁法橫斷面CSV格式成果（部分）

3.3 效率分析

方案可根據設計線數據、樁號和左右寬數據、點云數據生成兩類成果數據：①dwg 格式成果圖，包含縱橫斷面設計、貼地線和斷面圖3 種；②CSV 格式數據文件，包含抬桿法和相對中樁法的橫斷面數據。上述數據文件均為標準數據格式，可供大部分公路設計單位直接使用。與傳統縱橫斷面測量方法相比，本文借助自編程序采用點云數據生成的斷面成果具有顯著優勢：①作業效率高，能節省大量人力和時間成本，以提取10 km 斷面數據為例，傳統測量方法至少需花費4 h，而本程序只需不到2 h；②傳統方法需要大量的人工干預和手工操作，錯誤率較高，而本程序人工干預很少，且幾乎不存在錯誤；③本程序基于點云數據能生成點位密度更大、信息更豐富的斷面圖形，橫斷面線與TIN相交的所有點位均可作為斷面點參與繪制斷面圖（圖8）。

圖8 TIN點位密度

4 結 語

為解決傳統公路縱橫斷面測量方法存在的效率低、精度差、信息不夠豐富等問題，本文基于FME平臺編寫了一款公路縱橫斷面自動提取程序。該程序以dwg格式的設計線、Excel格式的樁號和左右寬數據以及LAS格式的點云數據為數據源，按照設計線斷面信息自動提取點云數據生成斷面圖，再經過人工質檢和優化，最后按照抬桿法和相對中樁法的規則要求生成橫斷面CSV格式成果數據。本程序已應用于多條公路的設計中，實踐證明其不僅能快速準確地獲取公路路線縱橫斷面信息，而且成果數據還可在不同道路設計軟件之間進行無縫銜接交互。本文通過實際生產項目驗證了程序的正確性、有效性和優越性，也對基于點云數據的公路路線縱橫斷面測量進行了進一步探索，開拓了其使用范疇。今后還可在數據抽稀、成果類型豐富程度等方面進行深入研究。