機載激光雷達測量系統在鐵路施工中的應用

朱萬里

（中鐵十五局集團第三工程有限公司，四川成都 610000）

0 引言

目前我國鐵路建設得到了高速發展，施工單位開工時要做原地面進行復測、測算土方量，進行大臨建設策劃等工作，原始作業方式大多通過采用GPS 接收機或者全站儀逐點逐面測量完成土方量測算及地形復測，現場踏勘選址完成大臨建設策劃。傳統測量工作中，在有植被覆蓋的山地或密集住宅區，全球衛星導航系統GNSS 接收機易受到衛星信號的影響難以固定，而全站儀測量極易受到物體遮擋進而反復設站，導致地形復測、土方測算工作耗時耗力，效率低下，實地勘探選址多處區域人員無法到達，但是鐵路開工時間緊，任務重，急需要一種新的測量方法完成以上工作，機載激光雷達測量系統的快速發展為解決這一難題提供了新的思路。

1 機載激光雷達測量系統

1.1 機載激光雷達測量系統的組成

機載激光雷達測量系統主要由飛行平臺，3D 激光掃描儀（Scanner）、全球定位系統（GPS）、慣性導航系統（INS）、高分辨率的數碼相機及掃描控制裝置等組成[1]，是一種主動遙感測量裝置，可以快速、精確獲取地面物體三維坐標。激光掃描儀是整個系統的核心組成，主要用來測量目標物之間的距離，GPS 主要是記錄整個系統任意時刻的坐標，慣性導航系統記錄飛機平臺的姿態，數碼相機獲取目標點的真色彩，為點云著色渲染。

1.2 機載激光雷達測量系統的原理與特點

1.2.1 機載激光雷達測量系統的原理

激光器主動發射一束光脈沖，接收器準確記錄光脈沖從發射到被反射回來的傳播時間，計算出發射器與目標物體間的距離，結合GPS 記錄的系統坐標、INS數據記錄飛行姿態等數據準確計算出目標物體的三維坐標。

1.2.2 機載激光雷達測量系統的特點

機載激光雷達測量系統有以下5 個特點：①主動測量，不受光照的影響，能夠全天全天候作業。②無接觸測量，作業安全，可以完成人員無法到達、通行困難的地方的測量任務，保證人員安全。③高精度，多回波技術的發展使機載激光雷達測量系統的精度達到厘米級。④穿透植被，機載激光雷達技術發射的激光脈沖信號對植被具有一定的穿透能力，通過點云分類能直接獲取地表真實地形數據。⑤高效率，與傳統測量測量方法比，減少了工作量，節約了外業測量時間，提高了測量效率。

1.3 機載激光雷達測量系統的工作流程

機載三維激光雷達測量系統的工作流程分為準備階段，外業數據采集，內業數據處理，數據應用4 個階段。工作流程如圖1 所示。

圖1 工作流程

2 機載激光雷達測量系統實踐應用

中鐵十五局成達萬高鐵項目位于渠縣境內，線路上地形起伏較大，地表多有植被覆蓋，全球定位系統GPS 接收機信號弱，多處區域人員通行困難，測量難度較大，利用傳統的測量方式復測土方量效率較低，且人員通行困難的地方危險系數大，本次利用機載激光雷達測量系統進行地面數據采集，運用Copre 2.0、Coprocess 2.0 完成數據處理，運用成果數據完成原地面復測、線路土方量計算、拌和站及鋼筋廠選址工作。

2.1 準備階段

確定測區范圍為DK145+400—K148+700 區間，申請空域，確定道路設計參數，國家大地坐標系CGCS2000 坐標系，投影帶中央子午線東經106°54′，投影高程面240m，采用1985 國家高程基準。

2.2 外業數據采集

2.2.1 外業準備

外業設備采用華測AU20 激光雷達測量系統，進入現場后分別進行架設基站，航線規劃，設備調試等工作。使用變高飛行軟件Copilot 進行航線規劃，仿地飛行200m 航高，航寬80m，飛行速度8m/s；在采集軟件中對設備參數進行設置，掃描頻率為200 萬點/s，點云掃描速度100r/s，點云旁向重疊率為50%等；基站采用華測GNSS 接收機作為基站，使用靜態測量模式。

2.2.2 點云數據采集

完成設備安裝及調試完畢后，開始作業，無人機全自動按照設定航線完成作業后返回設定的降落點，過程中人員只需要監控飛機的飛行狀態，確保飛行安全，一旦遇到特殊狀況，立即進行緊急返航，本次采集共計花費40min。

2.3 內業數據處理

2.3.1 點云數據生成

機載激光雷達測量系統采集的數據有GNSS 基準站數據、POS 采集數據、激光數據和影像數據。使用Copre2.0 軟件完成基站數據處理、POS 數據解算及數據融合，得到WGS84 坐標系下點云數據成果，通過測區坐標轉換參數獲得2000 國家大地坐標系下的las 格式的原始點云（圖2），利用影像數據進行點云著色渲染，得到具有RGB 顏色值的點云數據[2]，讓點云數據以類似于照片的形式呈現，更加形象、直觀易懂。

圖2 原始點云

2.3.2 點云數據去噪

點云數據受激光掃描時的姿態、環境等因素的影響，點云數據不可避免地出現一些噪點，噪點明顯高于地表目標點、低于地面點，其存在會對其他點數據信息的查看和提取造成不良影響[3]，通過Coprocess 2.0 軟件去除因激光器的誤差、空氣中雜質、飛鳥等產生的漂浮在空中的噪點。

2.3.3 點云分類

鐵路施工中地形復測、土方測算、前期策劃大型臨建設施需要用到是地面點數據，而直接采集到的激光點云數據成果包含了植被、地面建筑物等大量數據信息，無法直接運用到施工中去，因此需要利用點云分類技術篩選出所需要的地面點信息，得到地面點云數據（圖3），達到施工運用的目的。Coprocess 2.0 軟件采用基于坡度的點云濾波算法，核心是通過點云數據相鄰點之間的坡度來分離出地面點和地物點，算法前提是假設相鄰點之間的巨大高差是由地物引起的，而非地形突變，其中較高的點被視為非地面點[4]，設置坡度閾值，剔除植被，房屋等點云數據，獲取到精確的地面點云數據。對比原始點云圖像與分類后的圖像可以明顯看出分類后點云去除了植被及地面建筑物信息，只保留了地面點。

圖3 地面點云

2.3.4 點云數據精度校核

由于點云的位置精度主要依賴于GPS 測量系統的精度，而GPS 系統在測繪中獲取的位置精度是非常可靠的，在這里僅對點云數據的高程進行校核，用GPS 接收機采取了硬質地面、稀疏植被覆蓋地面、茂密植被覆蓋地面3 種地形下的數據，分別與機載激光雷達點云成果數據進行比較，每組采集80 個數據，精度統計分別如表1、表2、表3 所示。

表1 裸露地面點高程精度驗證統計表 單位：m

表2 稀疏植被覆蓋地面點高程精度驗證統計表 單位：m

表3 茂密植被覆蓋地面點高程精度驗證統計表 單位：m

通過分析精度驗證統計表數據發現，誤差較大的點多位于茂密植被覆蓋的地區，其他地區高程值與實測值基本一致，最大差值為15cm，平均差值小于5cm，滿足土方測算、地形復測、大型臨建選址工作要求。

2.4 成果應用

2.4.1 在大臨建設選址中的應用

為了更清晰直觀地看清地表物體信息，先用Coprocess 2.0 軟件打開原始點云數據，導入道路設計中心線DXF 格式文件，在點云中顯示出線路位置（圖4），便于沿線路立體查看地形信息，選擇地塊用于建設鋼筋廠、拌和站等大型臨建設施。通過查看在線路里程DK147+600—DK147+800 位置附近有一塊區域，地勢較高，不易積水，緊靠既有道路交通方便，是拌和站、鋼筋廠位置的理想選擇。選定區域后，在地面點云數據內構建三角網，進行挖填方計算，經反復驗證，確定當平場高程為336m 時，區域內挖填基本平衡，挖土石59321m3，填土石61320m3，整平后可用面積39.7 畝，可以同時滿足拌和站和鋼筋場的建設需要。此處是標段最早施工的鋼筋場及拌和站，從外業開始到選定拌和站、鋼筋廠位置一共用了3d，極大減少了現場勘探選址的時間，減少了勞動強度，快速完成了大臨建設選址工作。

圖4 線路位置

2.4.2 在土方量測算中的應用

用Coprocess 2.0 軟件將設計線路中線導入地面點云數據中，將設計中線呈現在點云數據中，可以根據需求設定提取斷面點間距，橫斷面寬度，加密坡度值等參考值，本次設定點距離5m，橫斷面寬度60m，生成對應樁號的地面橫斷面圖（圖5），結合設計斷面可直接計算土方量[5]。

圖5 地面橫斷面（單位：m）

3 結語

對比傳統測量，激光激光雷達測量系統具有高精度、自動化、穿透性、全天候、非接觸等特點，其應用打破了傳統測量方式數據采集有限、測繪范圍小、工作效率低等局限，提高測量效率，保證了測量人員的安全，降低了人工成本，能高效完成鐵路施工中地形復測、土方測算、大臨建設等工作。