UAV LiDAR在山區(qū)鐵路勘察中的應(yīng)用

王文慶

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 上海 200040)

0 引言

橫斷面、1∶1 000工點(diǎn)地形圖是鐵路線路工程設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)資料,橫斷面與工點(diǎn)地形圖質(zhì)量將直接影響線路工程質(zhì)量。線路的橫斷面、地形圖資料的準(zhǔn)確性對(duì)于便于設(shè)計(jì)人員快速確定線路最優(yōu)位置,減少投資,提高線路方案的可行性、安全性以及穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的作用。因此在鐵路勘察中線路橫斷面、地形圖資料獲取方法的探索以及優(yōu)化其成果質(zhì)量是工程設(shè)計(jì)人員追求的目標(biāo)。

目前,在鐵路線路勘察中橫斷面以及地形圖的獲取技術(shù)主要為全站儀測量、全球定位系統(tǒng)—實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)(global positioning system-real time kinematic,GPS-RTK)、航空攝影測量技術(shù)和高分辨率衛(wèi)星遙感技術(shù)等。傳統(tǒng)的基于全站儀、GPS-RTK技術(shù)是目前線路工程勘察設(shè)計(jì)中橫斷面及地形圖測量的主要方法,但是此類方法需要大量的人工現(xiàn)場作業(yè),具有勞動(dòng)密集型強(qiáng),效率低等缺點(diǎn),尤其是在山區(qū)等地形復(fù)雜的地區(qū),人員的安全保障性無法得到保障。航空攝影測量技術(shù)和高分辨率衛(wèi)星遙感技術(shù)在近些年有較好的發(fā)展,在大比例尺地形圖測量的應(yīng)用廣泛,主要應(yīng)用于城鎮(zhèn)等植被稀疏的地區(qū),精度高,生產(chǎn)效率高,但是該類方法在高植被覆蓋的山區(qū)，精度較低,且受天氣影響較大,同時(shí)數(shù)據(jù)采集的難度以及數(shù)據(jù)處理難度較高。LiDAR技術(shù)具有受天氣影響小、成本低且數(shù)據(jù)處理生產(chǎn)的周期短、精度高等特點(diǎn),尤其是隨著無人機(jī)的發(fā)展,基于無人機(jī)平臺(tái)的LiDAR技術(shù)具有作業(yè)靈活、人工少、成本低且可以適應(yīng)復(fù)雜的地形條件,在各類的工程應(yīng)用中具有廣闊的前景。

在各類線路工程勘察設(shè)計(jì)中，線路橫斷面以及地形圖成果的質(zhì)量是其應(yīng)用于工程保證工程質(zhì)量的關(guān)鍵因素,不同的學(xué)者對(duì)于LiDAR技術(shù)應(yīng)用于橫斷面的獲取[1-2]以及地形圖資料的獲取方法[3-4]進(jìn)行了相關(guān)研究。杜藝等人[5]在一種基于LiDAR點(diǎn)云的河道縱橫斷面獲取方法中，通過點(diǎn)云處理獲取點(diǎn)云斷面點(diǎn)并與實(shí)測斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,基于點(diǎn)LiDAR點(diǎn)云的斷面獲取方法精度相當(dāng),提高了效率。鄭俊等人[6]在三維激光掃描儀在道路工程中的應(yīng)用中,通過采用點(diǎn)云處理技術(shù)生成了道路圖并與實(shí)測精度進(jìn)行對(duì)比分析,滿足生產(chǎn)需要。馮茂林[7]將機(jī)載LiDAR應(yīng)用到鐵路勘測山林地區(qū)橫斷面的生產(chǎn)應(yīng)用中,通過分析機(jī)載 LiDAR 點(diǎn)云生產(chǎn)的橫斷面與人工測量的橫斷面，得出在山勢陡峭區(qū)域，利用機(jī)載 LiDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)生產(chǎn)的橫斷面比人工測量得更加完整且精度相當(dāng)。汪仁銀等人[8]在地形測繪中的應(yīng)用研究中使用三維激光掃描儀,得出在山地丘陵區(qū)、城市地形測圖等領(lǐng)域，三維激光掃描儀都具有一定的優(yōu)勢和弊端。徐喬等人[9]在復(fù)雜山區(qū)高速公路橫斷面測量方法中，利用三維激光掃描儀對(duì)裸土、植被稀少區(qū)域以及茂密區(qū)，采用不同的處理方法來獲取橫斷面數(shù)據(jù),并得出獲取的橫斷面數(shù)據(jù)可以滿足山區(qū)定測及施工圖設(shè)計(jì)精度要求。

本文對(duì)無人機(jī)LiDAR獲取的橫斷面以及地形圖成果,通過與人工測量獲取的成果進(jìn)行對(duì)比分析,橫斷面采用兩種成果的高程較差的均值與中誤差作為評(píng)價(jià)指標(biāo),通過對(duì)地面不同類別植被,不同偏距處的高差較差的均值和中誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,地形圖通過在實(shí)驗(yàn)區(qū)中布設(shè)的檢核點(diǎn)以及房屋角點(diǎn),點(diǎn)云中獲取的坐標(biāo)成果數(shù)據(jù)與人工測量獲取的坐標(biāo)成果數(shù)據(jù)較差的均值和中誤差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析。從對(duì)比結(jié)果可知,無人機(jī)LiDAR點(diǎn)云獲取的橫斷面與地形圖成果資料精度與人工測量的成果精度相當(dāng),滿足山區(qū)鐵路勘察的需求。

1 點(diǎn)云橫斷面及地形圖資料生成

1.1 數(shù)據(jù)采集

本研究將某山區(qū)鐵路勘察中，線路某段隧道進(jìn)出口處200 m×400 m范圍內(nèi)作為橫斷面試驗(yàn)區(qū),該試驗(yàn)區(qū)山勢陡峭,高差120 m,植被茂盛,鐵路勘測作業(yè)十分困難;選擇0.5 km2農(nóng)村地區(qū)作為1∶1 000工地地形圖試驗(yàn)區(qū)。在實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)，采用無人機(jī)搭載LiDAR的方法獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),掃描系統(tǒng)通過千尋系統(tǒng)將實(shí)時(shí)定位無人機(jī)的絕對(duì)位置信息,最終獲取到絕對(duì)坐標(biāo)系下的掃描數(shù)據(jù)。

LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集平臺(tái)采用SZT-R250無人機(jī)載移動(dòng)測量系統(tǒng),掃描測程為3～330 m,掃描速度100 000點(diǎn)/s,掃描視場角為360°,在50～100 m的距離范圍內(nèi)，距離測量精度為5 ～10 cm。橫斷面和地形圖外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)處理共用時(shí)約為3 d。

為了驗(yàn)證基于無人機(jī)平臺(tái)的LiDAR技術(shù)獲取的線路橫斷面以及地形圖數(shù)據(jù)質(zhì)量,同時(shí)采用了傳統(tǒng)的GPS-RTK技術(shù)在該試驗(yàn)區(qū)內(nèi)進(jìn)行橫斷面測量以及地形圖數(shù)據(jù)采集,共用時(shí)約為20 d。

1.2 線路橫斷面生成

線路橫斷面的生成方法將直接影響生成橫斷面的質(zhì)量。本實(shí)驗(yàn)首先采用點(diǎn)云濾波算法[10]將點(diǎn)云中的地面點(diǎn)數(shù)據(jù)與非地面點(diǎn)進(jìn)行分類,采用點(diǎn)云處理的方法來獲取線路的橫斷面,并結(jié)合點(diǎn)云分類方法[11-14]獲取橫斷面點(diǎn)屬性，最終完成線路橫斷面的生產(chǎn)如圖1所示。

圖1 基于點(diǎn)云生成橫斷面流程

在本實(shí)驗(yàn)中，由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的離散性,在線路特定里程處的橫斷面上的偏距處可能并沒有點(diǎn),因此通過采用反向距離加權(quán)的方法進(jìn)行內(nèi)插生成。橫斷面的點(diǎn)屬性通過點(diǎn)云分類后的屬性來確定,首先將點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的非地面點(diǎn)數(shù)據(jù)采用點(diǎn)云分類的算法將點(diǎn)云進(jìn)行分類,點(diǎn)云分類后,橫斷面點(diǎn)通過其位置以及分類后的不同類點(diǎn)云數(shù)據(jù)的位置來判斷橫斷面點(diǎn)屬于的類別來確定橫斷面點(diǎn)的屬性。

1.3 地形圖生成

1∶1 000地形圖成果在線路工程建設(shè)的選線、初步設(shè)計(jì)以及施工設(shè)計(jì)等階段都有應(yīng)用?；邳c(diǎn)云數(shù)據(jù)的地形圖生成，主要是通過點(diǎn)云濾波處理后的地面點(diǎn)與非地面點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用點(diǎn)云處理算法與人工交互的方式生成地形圖,流程如圖2所示。

圖2 基于點(diǎn)云繪制地形圖流程

在地形圖的繪制中,一般由地物平面以及地面高程數(shù)據(jù)等組成,通過獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波處理來獲取點(diǎn)云的地面點(diǎn)數(shù)據(jù)和非地面點(diǎn)數(shù)據(jù),分類處理兩種數(shù)據(jù)后，通過分類處理的方法將獲取的地物平面圖與生成的地面等高線以及高程點(diǎn)圖數(shù)據(jù)合并并處理,完成地形圖的繪制。

2 點(diǎn)云橫斷面及地形圖數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

橫斷面上各個(gè)點(diǎn)的高程精度是橫斷面質(zhì)量的重要因素,地形圖中的平面位置以及高程數(shù)據(jù)是影響其質(zhì)量的關(guān)鍵因素,其決定了在工程設(shè)計(jì)中的實(shí)用性,在本實(shí)驗(yàn)中橫斷面采用橫斷面高程與人工測量斷面高程的較差均值和中誤差,地形圖采用測區(qū)內(nèi)檢核點(diǎn)與房屋角點(diǎn)的空間坐標(biāo)與人工測量的坐標(biāo)參數(shù)的較差均值和中誤差來作為分析和評(píng)價(jià)其成果質(zhì)量的指標(biāo)。

在本實(shí)驗(yàn)區(qū)域獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照上述過程生成橫斷面以及地形圖數(shù)據(jù)后并與該實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)人工測量的成果進(jìn)行對(duì)比分析,從來而評(píng)價(jià)其成果的質(zhì)量。

2.1 線路橫斷面數(shù)據(jù)精度分析

實(shí)驗(yàn)中對(duì)不同屬性的斷面點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析以及橫斷面偏距的分布區(qū)域進(jìn)行了數(shù)據(jù)對(duì)比分析如表1和圖3所示。

表1 不同屬性斷面點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)

圖3 線位不同偏距處橫斷面點(diǎn)高程精度統(tǒng)計(jì)

由表1統(tǒng)計(jì)分析可知,在實(shí)驗(yàn)區(qū)中植被覆蓋率越低的區(qū)域其精度越高,在樹林區(qū)域中兩種測量方式的偏差最大。由無人機(jī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)橫斷面與人工測量橫斷面高差均值和高差中誤差統(tǒng)計(jì)分析可得,不同屬性的斷面區(qū)域與人工獲取的橫斷面精度相比,其道路平坦區(qū)域較差較小,茂林遮擋的區(qū)域較差較大,其植被覆蓋地面越高,精度越差,不同偏距處二者的高差中誤差相當(dāng),偏距對(duì)橫斷面的生成質(zhì)量影響較小。

2.2 線路地形圖精度分析

通過對(duì)比人工測量的檢核點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)區(qū)內(nèi)房屋角點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用在實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)放置球形棱鏡作為檢核點(diǎn),由于點(diǎn)云點(diǎn)數(shù)據(jù)的離散型,球形棱鏡通過表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用隨機(jī)采樣一致性算法(random sample consensus, RANSAC)算法[15-16]進(jìn)行擬合來獲取檢核點(diǎn)的坐標(biāo)，房屋角點(diǎn)采用阿爾法-形狀(Alpha-shape)算法[17]獲取房屋屋頂邊界線,邊界線的交點(diǎn)作為屋頂?shù)慕屈c(diǎn)坐標(biāo),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 不同檢核點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)

由表2中統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,在實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)房屋角點(diǎn)和布設(shè)的檢核點(diǎn)與人工測量的坐標(biāo)之間的平面和高程的差值較差較小,因此在地形圖測量上,由無人機(jī)LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取的地形圖成果與人工獲取的成果之間精度相當(dāng),可以用于地形圖的生產(chǎn)。

3 結(jié)束語

由無人機(jī)LiDAR點(diǎn)云生成的線路橫斷面和地形圖質(zhì)量可以滿足線路設(shè)計(jì)以及相關(guān)工程需求,其高效率以及避免人員安全性方面等優(yōu)點(diǎn),使其在山區(qū)線路勘察設(shè)計(jì)中有著廣闊的應(yīng)用前景。本實(shí)驗(yàn)中通過對(duì)無人機(jī)LiDAR數(shù)據(jù)獲取的橫斷面和人工常規(guī)測量的橫斷面以及地形檢核點(diǎn)對(duì)比分析,可以得出以下結(jié)論：

(1)無人機(jī)LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取的橫斷面質(zhì)量與人工測量精度相比,不同屬性的斷面區(qū)域與人工獲取的橫斷面精度相比,其道路平坦區(qū)域較差較小,茂林遮擋的區(qū)域較差較大,其植被覆蓋地面越高,精度越差,不同偏距處兩者的高差中誤差相當(dāng),偏距對(duì)橫斷面的生成質(zhì)量影響較小。

(2)無人機(jī)LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的地形圖數(shù)據(jù)成果精度與人工測量的成果在平面和高程上精度相當(dāng)。

無人機(jī)LiDAR技術(shù)精度可以滿足山區(qū)鐵路勘察設(shè)計(jì)的需要,且可大幅提升生產(chǎn)效率,降低外業(yè)勘測安全風(fēng)險(xiǎn),在工程應(yīng)用中具有很好的前景。