機載激光雷達測量系統(tǒng)在鐵路施工中的應(yīng)用

朱萬里

（中鐵十五局集團第三工程有限公司，四川成都 610000）

0 引言

目前我國鐵路建設(shè)得到了高速發(fā)展，施工單位開工時要做原地面進行復(fù)測、測算土方量，進行大臨建設(shè)策劃等工作，原始作業(yè)方式大多通過采用GPS 接收機或者全站儀逐點逐面測量完成土方量測算及地形復(fù)測，現(xiàn)場踏勘選址完成大臨建設(shè)策劃。傳統(tǒng)測量工作中，在有植被覆蓋的山地或密集住宅區(qū)，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS 接收機易受到衛(wèi)星信號的影響難以固定，而全站儀測量極易受到物體遮擋進而反復(fù)設(shè)站，導(dǎo)致地形復(fù)測、土方測算工作耗時耗力，效率低下，實地勘探選址多處區(qū)域人員無法到達，但是鐵路開工時間緊，任務(wù)重，急需要一種新的測量方法完成以上工作，機載激光雷達測量系統(tǒng)的快速發(fā)展為解決這一難題提供了新的思路。

1 機載激光雷達測量系統(tǒng)

1.1 機載激光雷達測量系統(tǒng)的組成

機載激光雷達測量系統(tǒng)主要由飛行平臺，3D 激光掃描儀（Scanner）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）、高分辨率的數(shù)碼相機及掃描控制裝置等組成[1]，是一種主動遙感測量裝置，可以快速、精確獲取地面物體三維坐標。激光掃描儀是整個系統(tǒng)的核心組成，主要用來測量目標物之間的距離，GPS 主要是記錄整個系統(tǒng)任意時刻的坐標，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)記錄飛機平臺的姿態(tài)，數(shù)碼相機獲取目標點的真色彩，為點云著色渲染。

1.2 機載激光雷達測量系統(tǒng)的原理與特點

1.2.1 機載激光雷達測量系統(tǒng)的原理

激光器主動發(fā)射一束光脈沖，接收器準確記錄光脈沖從發(fā)射到被反射回來的傳播時間，計算出發(fā)射器與目標物體間的距離，結(jié)合GPS 記錄的系統(tǒng)坐標、INS數(shù)據(jù)記錄飛行姿態(tài)等數(shù)據(jù)準確計算出目標物體的三維坐標。

1.2.2 機載激光雷達測量系統(tǒng)的特點

機載激光雷達測量系統(tǒng)有以下5 個特點：①主動測量，不受光照的影響，能夠全天全天候作業(yè)。②無接觸測量，作業(yè)安全，可以完成人員無法到達、通行困難的地方的測量任務(wù)，保證人員安全。③高精度，多回波技術(shù)的發(fā)展使機載激光雷達測量系統(tǒng)的精度達到厘米級。④穿透植被，機載激光雷達技術(shù)發(fā)射的激光脈沖信號對植被具有一定的穿透能力，通過點云分類能直接獲取地表真實地形數(shù)據(jù)。⑤高效率，與傳統(tǒng)測量測量方法比，減少了工作量，節(jié)約了外業(yè)測量時間，提高了測量效率。

1.3 機載激光雷達測量系統(tǒng)的工作流程

機載三維激光雷達測量系統(tǒng)的工作流程分為準備階段，外業(yè)數(shù)據(jù)采集，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)應(yīng)用4 個階段。工作流程如圖1 所示。

圖1 工作流程

2 機載激光雷達測量系統(tǒng)實踐應(yīng)用

中鐵十五局成達萬高鐵項目位于渠縣境內(nèi)，線路上地形起伏較大，地表多有植被覆蓋，全球定位系統(tǒng)GPS 接收機信號弱，多處區(qū)域人員通行困難，測量難度較大，利用傳統(tǒng)的測量方式復(fù)測土方量效率較低，且人員通行困難的地方危險系數(shù)大，本次利用機載激光雷達測量系統(tǒng)進行地面數(shù)據(jù)采集，運用Copre 2.0、Coprocess 2.0 完成數(shù)據(jù)處理，運用成果數(shù)據(jù)完成原地面復(fù)測、線路土方量計算、拌和站及鋼筋廠選址工作。

2.1 準備階段

確定測區(qū)范圍為DK145+400—K148+700 區(qū)間，申請空域，確定道路設(shè)計參數(shù)，國家大地坐標系CGCS2000 坐標系，投影帶中央子午線東經(jīng)106°54′，投影高程面240m，采用1985 國家高程基準。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

2.2.1 外業(yè)準備

外業(yè)設(shè)備采用華測AU20 激光雷達測量系統(tǒng)，進入現(xiàn)場后分別進行架設(shè)基站，航線規(guī)劃，設(shè)備調(diào)試等工作。使用變高飛行軟件Copilot 進行航線規(guī)劃，仿地飛行200m 航高，航寬80m，飛行速度8m/s；在采集軟件中對設(shè)備參數(shù)進行設(shè)置，掃描頻率為200 萬點/s，點云掃描速度100r/s，點云旁向重疊率為50%等；基站采用華測GNSS 接收機作為基站，使用靜態(tài)測量模式。

2.2.2 點云數(shù)據(jù)采集

完成設(shè)備安裝及調(diào)試完畢后，開始作業(yè)，無人機全自動按照設(shè)定航線完成作業(yè)后返回設(shè)定的降落點，過程中人員只需要監(jiān)控飛機的飛行狀態(tài)，確保飛行安全，一旦遇到特殊狀況，立即進行緊急返航，本次采集共計花費40min。

2.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

2.3.1 點云數(shù)據(jù)生成

機載激光雷達測量系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)有GNSS 基準站數(shù)據(jù)、POS 采集數(shù)據(jù)、激光數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。使用Copre2.0 軟件完成基站數(shù)據(jù)處理、POS 數(shù)據(jù)解算及數(shù)據(jù)融合，得到WGS84 坐標系下點云數(shù)據(jù)成果，通過測區(qū)坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)獲得2000 國家大地坐標系下的las 格式的原始點云（圖2），利用影像數(shù)據(jù)進行點云著色渲染，得到具有RGB 顏色值的點云數(shù)據(jù)[2]，讓點云數(shù)據(jù)以類似于照片的形式呈現(xiàn)，更加形象、直觀易懂。

圖2 原始點云

2.3.2 點云數(shù)據(jù)去噪

點云數(shù)據(jù)受激光掃描時的姿態(tài)、環(huán)境等因素的影響，點云數(shù)據(jù)不可避免地出現(xiàn)一些噪點，噪點明顯高于地表目標點、低于地面點，其存在會對其他點數(shù)據(jù)信息的查看和提取造成不良影響[3]，通過Coprocess 2.0 軟件去除因激光器的誤差、空氣中雜質(zhì)、飛鳥等產(chǎn)生的漂浮在空中的噪點。

2.3.3 點云分類

鐵路施工中地形復(fù)測、土方測算、前期策劃大型臨建設(shè)施需要用到是地面點數(shù)據(jù)，而直接采集到的激光點云數(shù)據(jù)成果包含了植被、地面建筑物等大量數(shù)據(jù)信息，無法直接運用到施工中去，因此需要利用點云分類技術(shù)篩選出所需要的地面點信息，得到地面點云數(shù)據(jù)（圖3），達到施工運用的目的。Coprocess 2.0 軟件采用基于坡度的點云濾波算法，核心是通過點云數(shù)據(jù)相鄰點之間的坡度來分離出地面點和地物點，算法前提是假設(shè)相鄰點之間的巨大高差是由地物引起的，而非地形突變，其中較高的點被視為非地面點[4]，設(shè)置坡度閾值，剔除植被，房屋等點云數(shù)據(jù)，獲取到精確的地面點云數(shù)據(jù)。對比原始點云圖像與分類后的圖像可以明顯看出分類后點云去除了植被及地面建筑物信息，只保留了地面點。

圖3 地面點云

2.3.4 點云數(shù)據(jù)精度校核

由于點云的位置精度主要依賴于GPS 測量系統(tǒng)的精度，而GPS 系統(tǒng)在測繪中獲取的位置精度是非?？煽康模谶@里僅對點云數(shù)據(jù)的高程進行校核，用GPS 接收機采取了硬質(zhì)地面、稀疏植被覆蓋地面、茂密植被覆蓋地面3 種地形下的數(shù)據(jù)，分別與機載激光雷達點云成果數(shù)據(jù)進行比較，每組采集80 個數(shù)據(jù)，精度統(tǒng)計分別如表1、表2、表3 所示。

表1 裸露地面點高程精度驗證統(tǒng)計表 單位：m

表2 稀疏植被覆蓋地面點高程精度驗證統(tǒng)計表 單位：m

表3 茂密植被覆蓋地面點高程精度驗證統(tǒng)計表 單位：m

通過分析精度驗證統(tǒng)計表數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，誤差較大的點多位于茂密植被覆蓋的地區(qū)，其他地區(qū)高程值與實測值基本一致，最大差值為15cm，平均差值小于5cm，滿足土方測算、地形復(fù)測、大型臨建選址工作要求。

2.4 成果應(yīng)用

2.4.1 在大臨建設(shè)選址中的應(yīng)用

為了更清晰直觀地看清地表物體信息，先用Coprocess 2.0 軟件打開原始點云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入道路設(shè)計中心線DXF 格式文件，在點云中顯示出線路位置（圖4），便于沿線路立體查看地形信息，選擇地塊用于建設(shè)鋼筋廠、拌和站等大型臨建設(shè)施。通過查看在線路里程DK147+600—DK147+800 位置附近有一塊區(qū)域，地勢較高，不易積水，緊靠既有道路交通方便，是拌和站、鋼筋廠位置的理想選擇。選定區(qū)域后，在地面點云數(shù)據(jù)內(nèi)構(gòu)建三角網(wǎng)，進行挖填方計算，經(jīng)反復(fù)驗證，確定當平場高程為336m 時，區(qū)域內(nèi)挖填基本平衡，挖土石59321m3，填土石61320m3，整平后可用面積39.7 畝，可以同時滿足拌和站和鋼筋場的建設(shè)需要。此處是標段最早施工的鋼筋場及拌和站，從外業(yè)開始到選定拌和站、鋼筋廠位置一共用了3d，極大減少了現(xiàn)場勘探選址的時間，減少了勞動強度，快速完成了大臨建設(shè)選址工作。

圖4 線路位置

2.4.2 在土方量測算中的應(yīng)用

用Coprocess 2.0 軟件將設(shè)計線路中線導(dǎo)入地面點云數(shù)據(jù)中，將設(shè)計中線呈現(xiàn)在點云數(shù)據(jù)中，可以根據(jù)需求設(shè)定提取斷面點間距，橫斷面寬度，加密坡度值等參考值，本次設(shè)定點距離5m，橫斷面寬度60m，生成對應(yīng)樁號的地面橫斷面圖（圖5），結(jié)合設(shè)計斷面可直接計算土方量[5]。

圖5 地面橫斷面（單位：m）

3 結(jié)語

對比傳統(tǒng)測量，激光激光雷達測量系統(tǒng)具有高精度、自動化、穿透性、全天候、非接觸等特點，其應(yīng)用打破了傳統(tǒng)測量方式數(shù)據(jù)采集有限、測繪范圍小、工作效率低等局限，提高測量效率，保證了測量人員的安全，降低了人工成本，能高效完成鐵路施工中地形復(fù)測、土方測算、大臨建設(shè)等工作。