機載激光雷達技術在昌景黃鐵路縱橫斷面測量中的應用

李紅

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 湖北武漢 430061）

1 概述

2017年7 月，為促進鐵路建設的可持續發展，中國鐵路總公司下發了《中國鐵路總公司關于科學有序推進高速鐵路建設發展的指導意見》、（鐵總計統〔2017〕177號）文等文件，并于2017年8月4日召開了關于促進鐵路建設可持續發展的工作座談會，加強對文件的學習，對如何提高勘察設計質量、規劃項目前期市場等進行座談。

（鐵總計統〔2017〕177號）文《中國鐵路總公司關于加強鐵路建設項目征地拆遷工作和費用管理的指導意見》中第八條：建立獎懲機制，提高征地拆遷勘察設計質量。初步設計階段的征地拆遷數量、補償標準、費用要與可行性研究階段逐一進行對照分析，增減幅度超出5%的，應要求設計單位書面說明原由并納入勘測設計質量評價考核。因勘察設計單位原因造成征地、拆遷、三電及管線遷改、臨時用地等費用（按設計當期的價格水平測算）與批復概算偏差超出10%的，可扣減勘察設計費用1～5%。而在鐵路實際勘測中，由于各種原因，測量精度有時達不到要求，在這種背景下，進一步提高勘測精度，保證高水平的勘測質量迫在眉睫。

隨著激光雷達技術的日漸成熟，三維激光掃描儀開始逐漸普及。三維激光掃描儀可以快速高效獲取三維場景的高精度、高密度點云數據，實現對復雜場景的高精度測量，適應了鐵路數字化勘測的趨勢。

2 機載激光雷達LIDAR技術特點介紹

2.1 LIDAR技術

LIDAR技術是一種利用GPS和IMU（慣性測量裝置）定位定姿的機載激光掃描測量技術。其生產流程是：利用激光掃描儀對地面進行連續掃描，直接獲取三維激光點云，應用分類技術移除建筑物、覆蓋植物等測點，保留地表測點，即可獲得數字高程模型（DEM）。配合搭載數碼相機所拍攝的高分辨率數碼影像，進而生產數字線劃圖（DLG）。機載激光雷達技術屬于半主動式直接測量技術，相較于傳統的航空攝影測量技術，可大幅減少測量工序及人工觀測制圖的工作量，是近年來應用越來越廣泛的測量技術之一。

2.2 機載Lidar的優勢

（1）Lidar對薄云和植被有一定的穿透能力，若只需獲取激光點云數據，其航飛作業對天氣的要求較低，可在陰天甚至夜間作業，縮短數據獲取周期。

（2）機載Lidar系統自帶POS系統，只需要在攝影是布設少量地面GPS基準站及野外控制點，就可以解算出WGS-84坐標及GPS大地高的數據成果并進行坐標及高程轉換。

（3）采用高精度、高密度的Lidar點云數據提取縱橫斷面，具有自動化程度高、精度高、速度快等優勢。同時，也有利于開展三維鐵路線路設計工作。

3 LIDAR技術作業流程

機載激光雷達包括外業數據采集和內頁數據處理，其中內業是指依據航攝資料和外控資料生產鐵路設計所需的數字地形圖、數字正射影像和橫縱斷面。其作業流程為：

3.1 資料準備

在內業作業前應收集航攝資料、外控資料、CP0及CPI資料。進行數據復查：檢查航攝資料，檢查檢校場點云數據，復查點云數據質量，復查影像質量。

3.2 數據解算

利用航飛時同步觀測的CP0基站數據，與機上GPS觀測數據進行差分定位解算出航跡位置文件。聯合航跡位置文件和機上IMU觀測數據解算最終航跡文件。基于最終航跡文件和原始激光觀測文件及影像曝光點解算初步激光雷達數據和影像的外方位元素。

機載激光雷達數據預處理流程如圖1所示。

圖1

3.3 檢校

基于航飛的檢校場數據，結合檢校場測量的控制點對激光雷達系統進行檢校，消除系統誤差。

（1）點云數據檢校：

安置角誤差（roll，pitch，heading）檢校，測距誤差（rangeoffset）檢校；

（2）影像數據檢校：

利用相機ImageEvent文件和IPASSOL文件生成影像的初始外方位元素；

LPS下建立影像工程，并利用相機檢校文件，進行內定向和外定向；

ORIMA模塊下進行空三加密處理；

利用空三加密結果，生成相機的視準軸檢校值，并重新生成檢校后的外方位元素；

重新建立工程采用檢校值，對檢校結果進行精度檢查和分析。

3.4 數據精化

基于CP1控制點和外控點對激光雷達數據和影像數據的精度進行檢查和調整，確保數據精度。

根據《機載激光雷達數據處理技術規范》（CH/T8023-2011）規范中的點類定義，將測區點云數據的點分到不同類別中。

分類的基本流程如圖2。

圖2

對分類結果進行檢查。通過將點云按分類顯示、按高程顯示等方式，目視檢查分類后點云；對有疑問處用斷面圖進行查詢，分析。

地面點檢查一般采用建立地面模型的方法進行檢查。對模型上不連續、不光滑處，繪制斷面圖進行查看。若有對應影像，可用來輔助檢查分類的可靠性。主要可通過對以下內容的檢查來保證點云分類的質量：

點云分類是否正確；地面點云表面模型是否連續、光滑。

地面點的剖面圖形態是否合理；分類結果與對應正射影像是否套合。

3.5 數據精化完成之后，進行數字正射影像制作、高程模型制作、測繪數字線化圖以及橫、縱斷面工作。

4 昌景黃鐵路項目縱橫斷面作業情況

4.1 項目概況

新建昌景黃鐵路起自江西省南昌市南昌東站，經上饒市、景德鎮市，安徽省黃山市，終至黃山北站。正線全長約286km，設站9座，預留樂平設站條件。同步新建南昌樞紐聯絡線約29.1km以及南昌樞紐、景德鎮地區、黃山地區相關配套工程等。

昌景黃定測階段縱斷面測量工作量為214.5km，橫斷面測量達4799個。

4.2 實測中存在的問題及原因分析

據昌景黃鐵路總體組反映昌景黃定測斷面精度不滿足要求，橫斷面與現場實測縱斷面中樁高程相差較大，根據各方反饋的情況，對內外業斷面數據做了比較，認為產生斷面誤差的原因主要為：

4.2.1 內業、外業溝通不及時

內業、外業未能進行較好的協調、統一，各自提交橫、縱斷面成果，未能統一出口和檢核，造成交出的成果存在不一致現象。

4.2.2 斷面誤差統計方法問題

之前采用將激光雷達切取的橫斷面中樁高程與實測的橋梁縱斷面進行對比。由于實測橋梁縱斷面上的地面點比較稀疏，不能詳實表現局部地形變化情況，故其實際上大部分情況是將激光橫斷面中樁高程與橋梁縱斷面的內插高程進行對比，導致在地形變坡處兩者高差較大。

高程點內插獲取，理論上是可行的，但在縱斷面漏點的情況下，內插獲取與實際高程會存在較大較差。

表1 超限點原因分析表

4.2.3 外業實測中樁存在粗差

對于實測中樁高程高于點云橫斷面中樁的情況，將實測中樁點加載到點云數據中，發現部分實測中樁點位于點云數據的樹梢上，這部分實測中樁點存在粗差或浮動點。

4.2.4 外業實測斷面中心高程與縱斷面內插高程較差較大

實測斷面中心高程與縱斷面內插高程對比相差較大，其原因同樣是因為統計方法問題。

4.3 在昌景黃鐵路定測中機載LIDAR點云切的斷面和GPS RTK實測斷面對比

機載LIDAR在昌景黃定測勘測中起到復核勘測成果資料和點云切斷面的作用，一方面提高了勘測質量，另一方面節省了外業投入，對勘測工期也起到極大的促進作用，確實發揮了先進勘測技術在一線的優勢。我們用外業GPS RTK、機載LIDAR和地面LIDAR作了實測橫斷面比對。

選取的地段位于DK136+960-DK137+040共計80m范圍，該段是丘陵地區，線路左側為砍伐后幾乎裸露的山體和開挖的階梯，右側上層為20m左右高的松樹、下層是3m左右高的雜木林，比較茂密，比對了DK136+960、DK136+980、DK137+000、DK137+020、DK137+040 計 5 個橫斷面（其中DK136+960、DK136+980地面LIDAR不具備置鏡條件沒有測，DK137+020只測了左側部分），比對結果如下：

兩次的GPS RTK的數據比較接近（其中DK136+960左側最后一個點第一次測量錯誤，DK136+980因地質鉆探開挖導致中線附近高程差值較大）；機載LIDAR與GPS RTK實測斷面的形狀是吻合的，點與點比對，最大誤差在2m左右，普遍稍高于GPS RTK實測地面線；地面LIDAR與GPS RTK實測斷面個別地方誤差比較大（4.4m），從勘測質量和測量進度上看，地面LIDAR在測量普通斷面上都沒有明顯優勢。

對隧道1：500地形進行了比對，選取了植被茂密、人跡罕至的DK153+100-DK153+200對外業來說也是很困難的地方處進行比較，LIDAR做的1：500地形圖與外業GPS RTK吻合程度比較高，整體等高線更準確；外業GPS RTK因受高程點范圍影響，在地形圖角落處（如DK153+100右側50m），等高線的形狀反而是錯誤的。

激光雷達在提高縱斷面精度的方面清晰可見，同時避免了實測時的疏漏或誤差，保證了勘測質量。

5 結論

通過昌景黃鐵路定測中機載Lidar和GPS RTK實測縱橫斷面的對比，得出以下結論：①機載Lidar和GPS RTK實測形狀吻合，點與點的對比有一定誤差，機載lidar的精度更高；②在地形復雜、外業實測人員很難安全到達區域，機載lidar的優勢更加明顯，確保工作的正常展開同時對安全生產起到了保證作用。

參考文獻

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