地面三維激光掃描儀在張吉懷鐵路1∶500地形圖和斷面測繪中的應用

胡玉雷

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

地形圖和斷面測繪是鐵路勘測設計過程中的一個重要組成部分。目前，鐵路大范圍的1∶2 000帶狀地形圖和斷面測繪主要采用航空攝影測量和機載激光雷達測量技術，而在隧道口、橋址等重要工點，經常需要補測大比例地形圖和斷面數據。傳統的1∶500地形圖和斷面測繪主要采用全站儀和GPS-RTK等單點測量方法，在植被密集、地勢險峻的山區，由于通視條件差、衛星信號弱、人員無法到達等原因，采用全站儀和GPS-RTK施測較為困難[1]。

地面三維激光掃描(Terrestrial Laser Scanning，簡稱TLS)是20世紀90年代出現的一種快速獲取三維數據的主動式新型測量技術，它通過向目標主動發射一定波長的激光脈沖信號并接收回波信號，來獲取目標的三維坐標以及反射特性，具有高密度、高精度、高效率等優勢[2]。地面三維激光掃描技術在地形測量、城市測繪、交通設計等眾多工程領域顯現出廣闊的應用前景。

以地面三維激光掃描技術應用于張吉懷鐵路1∶500地形圖和斷面測繪為例，論述激光點云數據獲取、數據處理、1∶500地形圖和斷面測繪方法。

1 地面三維激光掃描儀原理

1.1 系統組成

地面三維激光掃描儀由激光發射器、控制終端、旋轉平臺、數據處理軟件、電源、人工靶標等部分組成。有的掃描儀還搭載有數碼相機，用于獲取目標表面的紋理信息[3，4]。Riegl VZ-2000地面三維激光掃描儀如圖1所示。

圖1 Riegl VZ-2000地面激光掃描儀

1.2 工作原理

地面三維激光掃描儀的工作過程可以分為三步[5]：①發射器中的脈沖二極管發射激光脈沖信號，經過旋轉棱鏡反射后到達目標表面；②位于接收器中的傳感器接收反射回的激光脈沖信號；③處理軟件將反射信號轉換成坐標信息，輸出包含反射強度等信息的點云數據。

圖2 地面激光掃描儀測量原理

就工作原理而言，地面三維激光掃描儀和全站儀類似，都是以設備自身中心為坐標原點建立極坐標系，通過距離測量和角度測量實現對地面目標的三維坐標測量。進行數據采集時，以地面三維激光掃描儀的儀器中心為坐標原點，Z軸豎直向上，以儀器初始化時激光的發射方向為X軸，根據右手準則確定Y軸(如圖2)，將極坐標系下的距離D、高度角、方向角轉換為坐標信息，即得到目標點在掃描儀坐標系下的三維坐標[6]

(1)

地面三維激光掃描技術可以同時獲取目標的三維坐標數據、反射強度、色彩信息，可以真實反映目標的形態與結構，為目標識別與分析提供了豐富的信息。

1.3 技術指標及優勢

由激光掃描儀的工作原理可知，決定點云數據質量和精度的關鍵技術指標包括：視場角、角度分辨率、距離分辨率、點位精度、光斑大小等[6，7]。表1是幾款常見掃描儀的技術指標。

表1 常見掃描儀的技術指標

相較于全站儀、GPS-RTK等傳統測量手段，地面三維激光掃描儀具有諸多特點及優勢。①主動性和實時性：通過接收自身發射的激光脈沖信號來探測目標的空間位置和光譜信息，不受天氣、時間等條件的限制。②高密度和高精度：在精密傳感器工藝的支持下，基于采樣間隔極小并且分布均勻的點陣獲取目標信息，保證了測量精度。③數字化和自動化：將激光脈沖信號轉換成數字信號，具有全數字特征，自動化程度較高。④非接觸性和穿透性：完全非接觸的測量方式，可有效解決滑坡監測等危險區域的測量問題，具有很強的適用性[8]。激光能夠穿透不太濃密的植被到達地面，獲取地表高程，在一定程度上規避了GPS-RTK信號易受茂密植被遮擋的問題。

2 作業流程與關鍵技術

基于Riegl VZ-2000三維激光掃描儀進行1∶500地形圖和斷面測繪主要包括三步：①外業數據采集；②內業點云數據處理；③地形圖和斷面生成。作業流程如圖3所示。

圖3 地形圖和斷面測繪技術流程

2.1 外業數據采集

當測區范圍較大、地形較復雜或遮擋較嚴重時，需要分站進行數據采集。首先根據測區范圍、地形地貌特點、通視條件，初步設計測站數量及每個測站的具體位置，保證掃描數據覆蓋整個測區；然后在每個測站四周30～50 m范圍內布設若干反射片靶標，每個測站應至少布置3個靶標[9](用于后期的點云配準)。根據地形特點和技術要求設置儀器的掃描視場范圍、掃描模式、點云密度等參數。同時，用全站儀測量每個反射片靶標中心在全局坐標系下的三維坐標。每個測站掃描完成后，注意檢查該站點云的實際覆蓋范圍和點云密度，對被障礙物遮擋或點云密度不夠的區域做好記錄，以便下一測站進行補測。

為保證數據質量和精度，外業數據采集需要注意的事項包括：

①設站點須穩定、視場開闊。

②對于深溝、峭壁等困難測區，須選擇正對測區的較高位置架設掃描儀。

③對于植被茂密的區域，盡量選取制高點設站，利于激光脈沖束穿過植被到達地表，獲取盡可能多的地面點信息。

④對于村莊、城鎮等人工地物較密集的區域，若存在重要地物數據采集不完整的情況時，可使用全站儀、GPS-RTK進行補測。一方面作為激光點云數據的補充，另一方面可以作為檢查點。

⑤在山區，為獲得更密集的點云數據，角度分辨率通常選用0.04°。

⑥為保證點云配準精度，實際作業中，一般每個測站布設4個靶標，且反射片應在測站周圍均勻、高低錯落分布，以避免共面及共線情況的發生[3]。

2.2 內業點云數據處理

(1)點云配準

原始點云數據是基于掃描儀自身的內部坐標系，而1∶500地形圖和斷面測繪均是基于全局坐標系，故需要在全局坐標系下，實現多站點云的高精度配準。點云高精度配準分為點云坐標轉換和多站平差兩步[5，10]。坐標轉換是將每個測站的點云數據從掃描儀內部坐標系轉換為全局坐標系。全局坐標系可以是西安1980、CGCS2000等國家基準，也可以是獨立的工程坐標系。

(2)

(3)

點云坐標轉換的模型如式(2)和式(3)，其中x,y,z和x′，y′,z′分別是點云數據在掃描儀內部坐標系和全局坐標系下的坐標值。該模型有7個參數，s是比例系數，R是兩個坐標系之間的正交旋轉矩陣，φ，φ，κ是三個旋轉角，xT,yT,zT是平移量。因此，需要至少3對同名點才能解算出7個轉換參數。

全站儀實測的靶標三維坐標、從點云中提取的靶標三維坐標均不可避免地存在誤差，導致經過坐標轉換后的多站激光點云仍存在細微的位置偏差，重疊處呈現細微的分層和錯位現象。因此，可基于迭代最鄰近點算法(ICP)對多站點云數據進行高精度平差[11]，調整每個掃描站的位置和姿態，以獲取高精度的激光點云數據。

完成點云配準后，采用全站儀或GPS-RTK實測的重點地物碎部點，對激光點云數據的平面和高程精度進行檢核。

(2)點云著色

事先對外置數碼相機與掃描儀之間的相對位置參數已進行了標定，故可基于數碼影像對配準后的激光點云數據進行著色，使點云數據具有彩色紋理，更加逼近真實場景，便于制作地形圖和提取斷面線[12]。

(3)點云去噪

由于走動的行人、山間的霧氣、雨水等因素，會造成原始激光點云數據包含一些沒有用的點(稱為點云噪聲)。點云噪聲通常呈現出不連續、雜亂、反射率異常等特征。因此，可先對點云進行三維柵格劃分，然后在柵格內基于點云密度、相鄰柵格重心之間的距離、反射率等參數進行分離。

(4)非地形點濾波

Riegl VZ-2000地面三維激光掃描儀每秒能發射40萬個激光脈沖，并且具有多次回波技術。經過多站點云配準獲得的點云數據，除了含有大量地形數據，同時也不可避免地包含大量非地形數據(比如地物和植被數據)。為保證地形圖和斷面的精度，需將點云數據中的非地形點分離出來。首先對測區點云分塊，然后基于每個小塊內房屋尺寸、地形坡度、迭代角度等參數進行反復多次的自動濾波計算[2，3]，對自動濾波的成果進行檢查，對被錯誤分類的點云進行修改，直至無法繼續分離出非地形點。

2.3 地形圖與斷面生成

(1)地形圖繪制

①根據1∶500地形圖的技術要求以及地形坡度等參數[11]，從地形點中分離出地形特征點。地形特征點的數據量與地形點相比小很多，但保留了山頂、山脊、山谷、鞍部、陡坎、深溝等重要地形，可以基于地形特征點生成等高線。②根據等高線走勢、地形特點及1∶500地形圖的技術要求，從地形點中選擇數量足夠的離散點作為高程注記點添加到圖幅上。③基于地形點和非地形點的真實彩色紋理和反射強度等信息，對地物(房屋、道路、橋梁、水系、電線桿等)進行判讀和分析，輔以GPS-RTK補測的部分碎部點，根據1∶500地形圖的圖式圖例要求繪制地物符號。④根據1∶500地形圖的圖面整飾要求，對圖幅進行整飾。

(2)斷面生成

基于激光點云數據進行斷面測繪，是指在已知斷面平面位置的情況下，提取斷面上密集的二維離散點對應的的高程值。即使激光點云數據中的地形點足夠密集，也不能保證斷面上每個二維離散點均有對應的激光點。因此，首先應基于離散的地形點生成不規則三角網(TIN)并覆蓋整個測區，然后基于該三角網模型對斷面上的二維離散點進行三角網內插[7，13]，計算每個二維離散點的高程值，經檢查合格后，可作為該斷面成果的基礎數據。

3 應用案例

張家界-吉首-懷化鐵路(簡稱張吉懷鐵路)位于湖南省西部，正線全長約246.6 km。張吉懷鐵路沿線為典型的山區地形，山巒起伏，溝壑眾多，地形起伏大。在定測階段，為解決困難地形的測量問題，采用Riegl VZ-2000地面三維激光掃描儀，共對29個隧道口進行1∶500地形圖和斷面測繪。以某隧道口為例，該測區面積約0.04 km2，以深溝、陡坡為主，高差達120 m，植被茂密，衛星信號差，人工野外實測困難較大，采用地面三維激光掃描儀僅需投入三人、Riegl VZ-2000地面激光掃描儀一套、GPS-RTK一套、全站儀一套。按照其技術流程完成了外業數據采集、內業點云數據處理和地形圖與斷面生成。其中，完成4個測站的外業數據采集約耗時2 h，內業數據處理約耗時4 h，共提交一幅1∶500地形圖、21個橫斷面成果、1個縱斷面成果，如圖4和圖5。

圖4 1∶500地形圖成果

圖5 橫斷面和縱斷面成果

為確保成果滿足鐵路1∶500地形圖和斷面的精度要求，外業數據采集時采用GPS-RTK實地測量了25個離散檢查點(包含灌木、樹林、旱地、巖石等)，經統計，25個檢查點所在位置激光點云的高程誤差如表2。由表2可見，激光點云在密林、灌木等區域高程誤差較大，而在旱地、巖石等區域誤差較小，這與激光點云對茂密植被的穿透效果以及非地形點濾波的效果有關。經統計，激光點云的最大高程誤差為0.307 m，最小高程誤差為0.004 m，高程中誤差為0.119 m，滿足鐵路勘測中1∶500地形圖和斷面測繪的精度要求。

4 結束語

(1)利用Riegl VZ-2000三維激光掃描儀采集多站激光點云，經內業數據處理后，其高程精度滿足鐵路1∶500地形圖和斷面測繪的精度要求。

(2)激光點云在密林、灌木等植被茂密區域的高程精度略低于旱地、巖石等裸露地表。

表2 激光點云高程精度統計 m

注：最大高程誤差為0.307 m，最小高程誤差為0.004 m，高程中誤差0.119 m

(3)與全站儀、GPS-RTK等單點測量方法相比，Riegl VZ-2000地面三維激光掃描儀具有高精度、高密度、高效率等優勢，尤其是在山區鐵路勘測中，對險峻地形的非接觸測量以及對稀疏植被良好的穿透性，能顯著減小野外測量的工作強度。

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