基于機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)的鐵路勘測(cè)方法

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基于機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)的鐵路勘測(cè)方法

朱雪峰

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

一、引言

近年來，我國掀起了鐵路建設(shè)高潮，建成了一批時(shí)速250和350 km/h的高速鐵路。在今后的一段時(shí)間里，鐵路建設(shè)任務(wù)將十分繁重。鐵路工程勘測(cè)是勘察設(shè)計(jì)流程的首要工序。目前，鐵路勘測(cè)主要采用航空攝影測(cè)量方法測(cè)繪1∶2000地形圖，采用GPS技術(shù)、全站儀及水準(zhǔn)測(cè)量方法進(jìn)行線路測(cè)量。該方法存在的主要問題是工作效率較低，在險(xiǎn)、難勘測(cè)工程環(huán)境下采用GPS和全站儀進(jìn)行線路測(cè)量給人員安全和勘測(cè)質(zhì)量帶來較大隱患。

隨著我國鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，如何快速、準(zhǔn)確地獲取鐵路線路走廊帶的勘測(cè)數(shù)據(jù)已經(jīng)成為鐵路建設(shè)者必須面臨的技術(shù)難題。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)作為一種先進(jìn)、快速、準(zhǔn)確的測(cè)量方法，已經(jīng)成為未來鐵路勘測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向。

二、基于機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)的鐵路勘測(cè)方法

鐵路線路走廊帶的三維地理信息的精確獲取是鐵路勘察設(shè)計(jì)的重要前提。基于機(jī)載激光雷達(dá)獲取密集的激光點(diǎn)云和高分辨率數(shù)碼影像，可生產(chǎn)鐵路設(shè)計(jì)所需的3D數(shù)字產(chǎn)品(DLG、DOM、DEM)和線路縱、橫斷面，從而安全、快速、高精度地服務(wù)于鐵路勘察。

1. 鐵路機(jī)載激光掃描方案

(1) 機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取流程

針對(duì)鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)的機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取流程如下：

1) 航攝設(shè)計(jì)：根據(jù)線路方案及其穩(wěn)定性，確定航攝寬度。鐵路機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云密度應(yīng)優(yōu)于1點(diǎn)/m2，影像地面分辨率應(yīng)優(yōu)于0.2 m。

2) 空域申請(qǐng)：準(zhǔn)備航空攝影空域申請(qǐng)資料，辦理航空攝影批文及調(diào)機(jī)手續(xù)。

3) 收集控制成果：收集鐵路勘測(cè)的基礎(chǔ)控制網(wǎng)資料，在航飛前至少要完成CP0控制網(wǎng)，最好CP1控制網(wǎng)建立完畢。

4) 航飛實(shí)施：航飛時(shí)，在基礎(chǔ)控制網(wǎng)上按50 km間隔同步架設(shè)GPS地面基站，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

5) 數(shù)據(jù)預(yù)處理與檢查：航飛完成后應(yīng)及時(shí)對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，重點(diǎn)檢查POS數(shù)據(jù)、點(diǎn)云和影像的質(zhì)量。

(2) 密林測(cè)區(qū)機(jī)載激光雷達(dá)采集方法

密林測(cè)區(qū)機(jī)載激光雷達(dá)穿透性差，一直是制約機(jī)載激光雷達(dá)在該類測(cè)區(qū)應(yīng)用的瓶頸。為了獲取高密度的地面點(diǎn)云，可采用具有多脈沖功能的機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備。同時(shí)，為進(jìn)一步加大點(diǎn)云密度，可每條航線飛行兩次，通過兩次航飛數(shù)據(jù)互補(bǔ)，獲取密林下的高密度地面激光點(diǎn)，從而保證測(cè)量精度。

為了保證兩次航飛數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)精度，同時(shí)解決密林測(cè)區(qū)明顯地物少、像控點(diǎn)測(cè)量難的問題。在航飛前，可在測(cè)區(qū)人工布設(shè)控制標(biāo)志，布設(shè)的同時(shí)完成測(cè)量工作。標(biāo)志布設(shè)在硬質(zhì)的平地，該標(biāo)志可作為影像控制點(diǎn)，同時(shí)可作為激光點(diǎn)云的高程控制點(diǎn)。布設(shè)標(biāo)志后，航飛完成后不必再出外控，可立即進(jìn)行數(shù)據(jù)生產(chǎn)，有效地縮短了工期。

2. 機(jī)載激光雷達(dá)與鐵路設(shè)計(jì)協(xié)同

當(dāng)LiDAR航飛及數(shù)據(jù)處理完成后即可得到原始的激光點(diǎn)云、數(shù)碼影像。基于原始的激光點(diǎn)云和數(shù)碼影像，采用專業(yè)的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件(如Terrasolid)即可快速地生產(chǎn)數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像和數(shù)字地形圖。

鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)除了需要常規(guī)的3D數(shù)字產(chǎn)品外，還需要大量的縱、橫斷面。目前斷面測(cè)量主要依靠全站儀、水準(zhǔn)儀和GPS，利用這些方法生成斷面需要耗費(fèi)大量人力、物力，效率很低。目前相關(guān)單位已經(jīng)應(yīng)用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)生產(chǎn)斷面，通常其獲取過程是：先利用激光點(diǎn)云生成數(shù)字高程模型，再利用數(shù)字高程模型生成斷面信息。但是生成數(shù)字高程模型的過程損失了原始的激光點(diǎn)云信息，降低了后續(xù)成果的精度。本文直接利用原始激光點(diǎn)云信息生產(chǎn)斷面，并通過人工可視化核查斷面成果，既保證了斷面的高精度，又保證了斷面的高可靠性。算法如下：①給定線路方案文件，生成斷面剖線；②提取出到橫斷面剖線平面距離小于3 m的原始地面激光點(diǎn)；③對(duì)提取出的激光點(diǎn)構(gòu)三角網(wǎng)；④求斷面剖線與三角網(wǎng)的交點(diǎn)，并計(jì)算出交點(diǎn)高程；⑤將原始激光點(diǎn)、數(shù)字正射影像和生成的斷面線展繪在一起，通過人工可視化核查、編輯斷面線；⑥根據(jù)需要，采用改進(jìn)的道格拉斯-皮克法簡(jiǎn)化斷面線；⑦輸出斷面線。如圖1所示。

圖1　人工輔助編輯斷面

三、應(yīng)用效果

武襄十城際鐵路是武漢至西安客運(yùn)專線的重要組成部分，總投資約527.5億元。全線共設(shè)14個(gè)車站，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km/h。2014年在該項(xiàng)目的勘察設(shè)計(jì)中，筆者所在單位采用徠卡ALS60機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)武襄十城際鐵路帶狀測(cè)區(qū)進(jìn)行了航飛數(shù)據(jù)采集。

1. 航攝設(shè)計(jì)與采集

(1) 孝感東至谷城段航攝設(shè)計(jì)

孝感東至谷城段屬平原地形，以1500 m的高度進(jìn)行飛行，掃描角為53°。激光點(diǎn)云發(fā)射密度為1.81點(diǎn)/m2，激光帶寬為1495 m，航線61條，航線總里程805.37 km。

(2) 谷城至十堰郊區(qū)段航攝設(shè)計(jì)

谷城至十堰郊區(qū)段受地形起伏影響，ALS60系統(tǒng)在多脈沖模式下，飛行高度不能低于2200 m。設(shè)計(jì)飛行高度2200 m，掃描角設(shè)置為40°。激光點(diǎn)云發(fā)射密度為1.29點(diǎn)/m2，激光帶寬為1601 m。谷城至十堰段屬山區(qū)且植被特別茂密，是本項(xiàng)目的難點(diǎn)。而且受地形起伏和儀器限制，飛機(jī)不能飛得太低，導(dǎo)致點(diǎn)云密度要遠(yuǎn)低于平原區(qū)域。為了進(jìn)一步保證精度，需要對(duì)該區(qū)域進(jìn)行重復(fù)飛行，加大點(diǎn)云密度，從而提高激光穿透植被的概率和精度。

按照上述設(shè)計(jì)，筆者所在單位采用運(yùn)與飛機(jī)作為運(yùn)載平臺(tái)，執(zhí)行了航飛任務(wù)，共航飛9個(gè)架次，采集激光雷達(dá)數(shù)據(jù)1800 km2。

2. 精度驗(yàn)證

航飛采集完成后，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理。為了驗(yàn)證激光雷達(dá)系統(tǒng)的精度，在測(cè)區(qū)采用GPS快速靜態(tài)作業(yè)模式共測(cè)量了176個(gè)控制點(diǎn)。利用測(cè)區(qū)控制點(diǎn)進(jìn)行了高程精度檢查，精度統(tǒng)計(jì)見表1。

表1　測(cè)區(qū)控制點(diǎn)高程精度驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)表　m

3. 工作內(nèi)容

在本項(xiàng)目中，基于機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)分別生產(chǎn)了數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像、1∶2000地形圖、橋隧工點(diǎn)圖、橫斷面和縱斷面，工作內(nèi)容統(tǒng)計(jì)情況見表2。

表2　完成工作內(nèi)容統(tǒng)計(jì)表

相比于傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量加人工野外地面測(cè)量的模式，基于機(jī)載激光雷達(dá)的鐵路勘測(cè)方法可有效縮短勘測(cè)周期，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高鐵路勘察設(shè)計(jì)的自動(dòng)化程度。

四、結(jié)論

本文提出了基于機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)的鐵路勘測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鐵路線路走廊帶的三維地理信息的精確獲取，滿足了鐵路勘測(cè)的要求。通過武襄十城際鐵路工程實(shí)踐，得出以下結(jié)論：

1) 機(jī)載激光雷達(dá)可生產(chǎn)鐵路設(shè)計(jì)所需的數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像、1∶2000地形圖、橋隧工點(diǎn)圖、橫斷面和縱斷面，滿足鐵路勘測(cè)的要求，可實(shí)現(xiàn)與鐵路設(shè)計(jì)各專業(yè)高效協(xié)同。

2) 機(jī)載激光掃描測(cè)量大大提高了鐵路勘察設(shè)計(jì)中地表精密空間信息的獲取效率，節(jié)省了外業(yè)測(cè)量工作量，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了鐵路勘察設(shè)計(jì)的自動(dòng)化程度。

3) 在密林測(cè)區(qū)，采用多脈沖技術(shù)、重復(fù)航飛可提高激光雷達(dá)的穿透率，提高地面點(diǎn)的密度，保證測(cè)量精度。

(本專欄由徠卡測(cè)量系統(tǒng)和本刊編輯部共同主辦)

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