基于機載激光雷達測量技術的鐵路勘測方法

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基于機載激光雷達測量技術的鐵路勘測方法

朱雪峰

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

一、引言

近年來，我國掀起了鐵路建設高潮，建成了一批時速250和350 km/h的高速鐵路。在今后的一段時間里，鐵路建設任務將十分繁重。鐵路工程勘測是勘察設計流程的首要工序。目前，鐵路勘測主要采用航空攝影測量方法測繪1∶2000地形圖，采用GPS技術、全站儀及水準測量方法進行線路測量。該方法存在的主要問題是工作效率較低，在險、難勘測工程環境下采用GPS和全站儀進行線路測量給人員安全和勘測質量帶來較大隱患。

隨著我國鐵路建設的快速發展，如何快速、準確地獲取鐵路線路走廊帶的勘測數據已經成為鐵路建設者必須面臨的技術難題。機載激光雷達技術作為一種先進、快速、準確的測量方法，已經成為未來鐵路勘測技術的發展方向。

二、基于機載激光雷達測量技術的鐵路勘測方法

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計的重要前提。基于機載激光雷達獲取密集的激光點云和高分辨率數碼影像，可生產鐵路設計所需的3D數字產品(DLG、DOM、DEM)和線路縱、橫斷面，從而安全、快速、高精度地服務于鐵路勘察。

1. 鐵路機載激光掃描方案

(1) 機載激光雷達數據獲取流程

針對鐵路勘測設計的機載激光雷達數據獲取流程如下：

1) 航攝設計：根據線路方案及其穩定性，確定航攝寬度。鐵路機載激光雷達點云密度應優于1點/m2，影像地面分辨率應優于0.2 m。

2) 空域申請：準備航空攝影空域申請資料，辦理航空攝影批文及調機手續。

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

4) 航飛實施：航飛時，在基礎控制網上按50 km間隔同步架設GPS地面基站，進行數據采集。

5) 數據預處理與檢查：航飛完成后應及時對獲取的數據進行檢查，重點檢查POS數據、點云和影像的質量。

(2) 密林測區機載激光雷達采集方法

密林測區機載激光雷達穿透性差，一直是制約機載激光雷達在該類測區應用的瓶頸。為了獲取高密度的地面點云，可采用具有多脈沖功能的機載激光雷達設備。同時，為進一步加大點云密度，可每條航線飛行兩次，通過兩次航飛數據互補，獲取密林下的高密度地面激光點，從而保證測量精度。

為了保證兩次航飛數據的配準精度，同時解決密林測區明顯地物少、像控點測量難的問題。在航飛前，可在測區人工布設控制標志，布設的同時完成測量工作。標志布設在硬質的平地，該標志可作為影像控制點，同時可作為激光點云的高程控制點。布設標志后，航飛完成后不必再出外控，可立即進行數據生產，有效地縮短了工期。

2. 機載激光雷達與鐵路設計協同

當LiDAR航飛及數據處理完成后即可得到原始的激光點云、數碼影像。基于原始的激光點云和數碼影像，采用專業的激光雷達數據處理軟件(如Terrasolid)即可快速地生產數字高程模型、數字正射影像和數字地形圖。

鐵路勘測設計除了需要常規的3D數字產品外，還需要大量的縱、橫斷面。目前斷面測量主要依靠全站儀、水準儀和GPS，利用這些方法生成斷面需要耗費大量人力、物力，效率很低。目前相關單位已經應用機載激光雷達技術生產斷面，通常其獲取過程是：先利用激光點云生成數字高程模型，再利用數字高程模型生成斷面信息。但是生成數字高程模型的過程損失了原始的激光點云信息，降低了后續成果的精度。本文直接利用原始激光點云信息生產斷面，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；③對提取出的激光點構三角網；④求斷面剖線與三角網的交點，并計算出交點高程；⑤將原始激光點、數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根據需要，采用改進的道格拉斯-皮克法簡化斷面線；⑦輸出斷面線。如圖1所示。

圖1　人工輔助編輯斷面

三、應用效果

武襄十城際鐵路是武漢至西安客運專線的重要組成部分，總投資約527.5億元。全線共設14個車站，設計時速350 km/h。2014年在該項目的勘察設計中，筆者所在單位采用徠卡ALS60機載激光雷達系統對武襄十城際鐵路帶狀測區進行了航飛數據采集。

1. 航攝設計與采集

(1) 孝感東至谷城段航攝設計

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

(2) 谷城至十堰郊區段航攝設計

谷城至十堰郊區段受地形起伏影響，ALS60系統在多脈沖模式下，飛行高度不能低于2200 m。設計飛行高度2200 m，掃描角設置為40°。激光點云發射密度為1.29點/m2，激光帶寬為1601 m。谷城至十堰段屬山區且植被特別茂密，是本項目的難點。而且受地形起伏和儀器限制，飛機不能飛得太低，導致點云密度要遠低于平原區域。為了進一步保證精度，需要對該區域進行重復飛行，加大點云密度，從而提高激光穿透植被的概率和精度。

按照上述設計，筆者所在單位采用運與飛機作為運載平臺，執行了航飛任務，共航飛9個架次，采集激光雷達數據1800 km2。

2. 精度驗證

航飛采集完成后，對獲取的數據進行了數據處理。為了驗證激光雷達系統的精度，在測區采用GPS快速靜態作業模式共測量了176個控制點。利用測區控制點進行了高程精度檢查，精度統計見表1。

表1　測區控制點高程精度驗證統計表　m

3. 工作內容

在本項目中，基于機載激光雷達測量技術分別生產了數字高程模型、數字正射影像、1∶2000地形圖、橋隧工點圖、橫斷面和縱斷面，工作內容統計情況見表2。

表2　完成工作內容統計表

相比于傳統航空攝影測量加人工野外地面測量的模式，基于機載激光雷達的鐵路勘測方法可有效縮短勘測周期，降低勞動強度，提高鐵路勘察設計的自動化程度。

四、結論

本文提出了基于機載激光雷達測量技術的鐵路勘測方法，實現了對鐵路線路走廊帶的三維地理信息的精確獲取，滿足了鐵路勘測的要求。通過武襄十城際鐵路工程實踐，得出以下結論：

1) 機載激光雷達可生產鐵路設計所需的數字高程模型、數字正射影像、1∶2000地形圖、橋隧工點圖、橫斷面和縱斷面，滿足鐵路勘測的要求，可實現與鐵路設計各專業高效協同。

2) 機載激光掃描測量大大提高了鐵路勘察設計中地表精密空間信息的獲取效率，節省了外業測量工作量，降低了勞動強度，提高了鐵路勘察設計的自動化程度。

3) 在密林測區，采用多脈沖技術、重復航飛可提高激光雷達的穿透率，提高地面點的密度，保證測量精度。

(本專欄由徠卡測量系統和本刊編輯部共同主辦)

天寶測繪解決方案專欄