鐵路勘測中使用機載激光雷達測繪橫斷面相關問題的探討

高文峰 王長進

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司, 天津 300251)

近年來,隨著GPS定位技術、IMU慣性導航技術、激光測距技術及精密制造技術的發展,機載激光雷達系統在工藝制造水平和應用精度上都大幅提高,使得機載激光雷達技術(后文簡稱LIDAR)的應用越來越廣泛。2009年初,鐵道第三勘察設計院集團有限公司率先在路內引進了機載激光雷達系統,并結合多個勘察設計項目中進行了應用研究,取得了良好的經濟效益和社會效益。利用LIDAR獲取的三維點云數據,通過對其進行分類獲取地面精細DEM,從而切繪出橫斷面是LIDAR技術的一個重要應用。但現實地形情況千差萬別,在生產過程中會遇到各種各樣的問題,本文將結合具體工程事例,通過對LIDAR穿透植被能力的分析,來討論利用LIDAR技術生產斷面方面存在的問題及其解決方案。

1 LIDAR數據獲取情況及應用LIDAR的主要問題

某鐵路勘察設計項目地處中國中南部,該地區地形起伏很大,很多地方相對高差超過1 000 m,且天氣狀況較差,要想獲得理想的點云數據難度非常大。根據地形特點及生產實際情況,采用Leica ALS60機載激光雷達設備,飛行平臺為運5固定翼飛機,設計的點云平均點間距為0.7～1.0 m,航線寬度為2 km,完成有效航線里程2 000余km,航飛面積約1 800 km2。

應用點云數據生產斷面面臨兩個主要的難題,一是點云的不連續性,在關鍵變坡點處不一定有數據,從而導致誤差；二是點云分類的準確性,因分類誤差導致斷面精度的降低。該項目所經地區山高林密,激光點穿透能力有限,點云濾波、斷面生產和DEM制作中存在很多的問題需要解決。

2 機載激光雷達系統穿透植被能力的分析

獲取正確、一定密度的地面激光點云是后續應用的基礎。因此,為了分析后面出現的問題,首先要對機載激光雷達系統穿透植被的能力進行具體的分析。激光穿透植被的方法是“見縫插針”,也就是說,只有在有空隙的地方,激光點才能打到地面上,這與微波的穿透方法不同。在植被稀疏或者不太茂密的地方,會有很多的激光點打到地面,這樣通過橫斷面可以很容易準確的判斷出地形趨勢。但是,如果植被非常茂密,只有極少數激光點能穿透植被,這種點云數據無法正確的反映實際的地形特征,基于這種數據無法得到正確的斷面。圖1為該項目部分段落獲取的3月份和7月份的LIDAR數據(兩次的設計參數都是一樣的),3月份該地區的植被樹葉相對比較稀疏,7月份相對比較茂密。灰色點云表示7月份點云數據,黑色點表示3月份點云數據。

圖1 部分段落點云構成

對兩個時期同一地區的點云數據進行分析,以及對植被覆蓋區與植被稀少區點云數據的對比,可以清楚的看到機載激光雷達穿透植被的能力。其中3月份因植被枝葉稀疏,穿透點較多(實際統計為50％),斷面能有效的表達地形特征,7月份因植被枝葉茂密,穿透點較少(實際統計為15％,部分地區不到5％),擬合的地面精度較差。因此，南方植被茂密期且被茂密植被覆蓋的區域,要選擇合適的季節進行航飛,才能獲取理想的數據。

3 不同地形條件下測繪橫斷面的策略

3.1 裸露地表

地面裸露地區的外業中樁高程和LIDAR高程配準精度很高,如圖2所示。這種情況下最大的問題在于地形突變LIDAR點的缺少和分類錯誤,但經過仔細的分析和相應的檢查,能獲得較好的結果,這是比較理想的地形,不再贅述。

圖2 裸露地表高程匹配

3.2 局部植被茂密地區

圖3 局部植被茂密高程匹配

在茂密植被下,因LIDAR高程點較少,用擬合的高程和外業中樁高程進行比較,誤差較大。如圖3所示,黑色方框處根據斷面推測為邊坡,無LIDAR點,誤差可達-2.48 m。而該點的兩側有裸露地面,可以很準確的判斷該點的高程是否正確。這種情況下的斷面相對好處理,因為周圍為平地,只需要在中樁點處添加一高程點即可,即使不加點,該點采用外業中樁高程也可獲得較高的精度。

3.3 區域植被茂密

植被茂密區域的情況比較復雜,因為落在地面上的點要遠遠少于落在樹上的點,用落在地面上的個別點不能正確的擬合地形表面,而用內差點的方法工作量會很大。圖4中整個斷面范圍內的植被相對茂密,地面上的高程點稀少,造成與外業中樁高程比較誤差較大。

圖4 區域植被茂密高程匹配

3.4 植被茂密地區測繪地形橫斷面

植被茂密地區測繪地形橫斷面，我們分以下幾種情況討論。

(1)在橫斷面或者地形圖范圍內均有茂密植被,且大部分點云均落在灌木叢頂部,灌木叢頂部的點云相對地面可以認為是平行的。這種情況下,我們可以將灌木叢頂部的點云數據當作地面點,平移改正灌木叢頂部與地面(外業中樁可以認為是地面點)之間的高差后生產橫斷面和地形圖。

(2)在橫斷面或者地形圖范圍內只有部分段落被茂密植被覆蓋,這種情況下改正是比較困難的,一種方案是不改正,直接以分類地面點做斷面,這種方法的結果是一個斷面上或者一塊地形圖范圍內精度不一致；或是改正誤差的一半,這種方法的結果是本來正確的地面高程會因為改正變得誤差更大,但整個斷面上的誤差相對均勻。另一種方案是根據中樁點附近的點云情況選擇,如果中樁點附近有正確的地面點云數據,就采用原始分類數據生產斷面,如果中樁點附近沒有正確的點云數據,則修正點云高程,這種方法會使中樁附近的一段范圍內的斷面精度有所提高,遠離中樁的斷面精度降低。第三種方案是只修改植被覆蓋區域的點云,這種方法會比較繁瑣,但精度較高。

(3)在橫斷面或者地形圖范圍內有茂密植被,但點云分布非常離散,無法判斷與地面平行點云的高度。這種情況下地面點會稍微多點,建議直接采用分類地面點構網建模。

4 結束語

結合實際鐵路勘測生產項目,針對利用機載激光雷達數據測繪橫斷面過程中遇到的一些具體問題進行了探討,望能給同行帶來借鑒價值。鑒于篇幅和作者應用的局限性,不可能將所有情況一一詳細討論,如影像輔助分類、精度分析、數據檢查等。另外,不同的問題其具體的解決方案也各有不同,例如在部分植被茂密區利用影像輔助分類也可以取得良好的效果,而有些地區則效果不好,需要根據具體的情況進行分析。

[1]張小紅.機載激光雷達測量技術理論與方法[M].武漢：武漢大學出版社,2007