無人機(jī)LiDAR 技術(shù)在山區(qū)鐵路測繪中的應(yīng)用

張占忠

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

引言

西部地區(qū)的鐵路大多地處高寒、高海拔、高落差、地質(zhì)活躍地帶,鐵路建設(shè)將要面臨更復(fù)雜嚴(yán)酷的工程環(huán)境,不僅是對人員和設(shè)備的挑戰(zhàn),更是對勘察技術(shù)的考驗。 為了滿足極復(fù)雜工程環(huán)境的勘察需求,各項測繪技術(shù)、勘測設(shè)備需要進(jìn)行有針對性的研發(fā)與創(chuàng)新[1]。 其中,鐵路勘測涉及眾多工程專業(yè),其中包括測繪工程、遙感科學(xué)與技術(shù)、地理空間信息工程等專業(yè),隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展,這些專業(yè)技術(shù)也發(fā)展迅猛,其工作流程、技術(shù)方法、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品內(nèi)容等也隨之變化。

無人機(jī)技術(shù)具有高機(jī)動性、數(shù)據(jù)可靠性高、觀測誤差分布均勻且精度高等技術(shù)優(yōu)勢,成為現(xiàn)代勘察領(lǐng)域主要外業(yè)數(shù)據(jù)采集及判識的主要手段之一[1-2],眾多學(xué)者對其進(jìn)行深入研究。 馮威針對地質(zhì)不良構(gòu)造判別難的問題,提出一種基于無人機(jī)的勘察遙感方法,實現(xiàn)了地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)等地質(zhì)要素的準(zhǔn)確判識[3];周福軍采用多旋翼無人機(jī)飛行平臺搭載傾斜攝影相機(jī)獲取的影像數(shù)據(jù),建立巖體結(jié)構(gòu)定量計算、分析統(tǒng)計方法,實現(xiàn)巖體結(jié)構(gòu)信息從人工定性量測到計算機(jī)定量提取的技術(shù)轉(zhuǎn)變[4];杜世回基于無人機(jī)激光雷達(dá)數(shù)據(jù),實現(xiàn)了植被覆蓋度高等隱蔽地區(qū)的滑坡、危巖落石等不良地質(zhì)解譯識別及高陡邊坡巖體結(jié)構(gòu)幾何信息的定量提取[5]。 以上研究各有側(cè)重點,但都偏重于地質(zhì)勘察領(lǐng)域,并未針對大高差復(fù)雜高原環(huán)境下的測繪產(chǎn)品的生產(chǎn)做出系統(tǒng)的技術(shù)總結(jié),且在測繪數(shù)據(jù)獲取、測繪產(chǎn)品制作流程、精度分析等方面研究較少。

針對復(fù)雜高原環(huán)境下高精度測繪數(shù)據(jù)產(chǎn)品的獲取,提出一種基于無人機(jī)LiDAR 技術(shù)的詳細(xì)生產(chǎn)作業(yè)技術(shù)規(guī)程方法,以分別應(yīng)對大高差、高坡度、植被覆蓋、精度控制難、數(shù)據(jù)精度穩(wěn)定性差等復(fù)雜場景[6-8]。 并形成了相關(guān)試驗研究成果,以期能在一定程度上促進(jìn)復(fù)雜山區(qū)鐵路測繪技術(shù)的發(fā)展。

1 工程概況

西部某山區(qū)鐵路,海拔分布范圍為3 000 ～4 200 m, 前期采用高分辨率衛(wèi)星影像測制了1 ∶2 000 比例地形圖。 隨著鐵路建設(shè)的推進(jìn),亟需進(jìn)行詳細(xì)的線路研究資料,然而由于地形陡峻、高差大、交通困難,現(xiàn)場技術(shù)人員難以到達(dá)勘測現(xiàn)場。 通過測區(qū)綜合環(huán)境分析,若使用有人機(jī)搭載LiDAR 設(shè)備進(jìn)行測繪作業(yè),存在成本高、人員安全無法保障的問題,而采用固定翼無人機(jī)方案由于工作區(qū)域場地狹窄的限制,無可用起降場地,另外使用傳統(tǒng)的無人機(jī)作業(yè)模式又無法滿足設(shè)計指標(biāo)要求。 因此,決定使用旋翼無人機(jī)LiDAR 開展相關(guān)測試研究,并分別在技術(shù)路線及方案、無人機(jī)平臺設(shè)備選型、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、測繪成果生產(chǎn)等無人機(jī)測繪全流程方面進(jìn)行試驗、歸納、分析與總結(jié),最大限度地挖掘利用無人機(jī)潛在價值,開拓并完善在復(fù)雜高原地區(qū)的技術(shù)應(yīng)用場景。

2 技術(shù)路線

對項目所處位置進(jìn)行全方位分析,明確了測區(qū)測繪范圍、海拔高度、高程落差、自然坡度及地表附屬物等情況;對適合該地區(qū)作業(yè)的無人機(jī)與LiDAR 設(shè)備進(jìn)行選型分析,制定合理的航攝飛行方案;然后進(jìn)行航跡計算,激光點云融合、激光點云數(shù)據(jù)濾波處理,最終制作出符合相關(guān)規(guī)范精度要求的數(shù)字地面模型、數(shù)字正射影像、數(shù)字線劃圖、線路橫縱斷面等基礎(chǔ)測繪成果。其詳細(xì)技術(shù)路線見圖1。

圖1 無人機(jī)LiDAR 測繪技術(shù)路線

3 無人機(jī)LiDAR 飛行平臺及設(shè)備選型

3.1 無人機(jī)飛行平臺

由于高原地區(qū)氣壓低、高寒、氣流強(qiáng),嚴(yán)重影響無人機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,無人機(jī)飛行過程中面臨電池掉電加速、發(fā)動機(jī)功率下降、載荷能力降低、攀升動力不足等問題,因此無人機(jī)選型與載荷裝備極為重要。 項目作業(yè)區(qū)大部分海拔在3 000 ～4 200 m 之間,飛行相對高差在600～800 m 之間,自然坡度均在50°左右,地形陡峻,峽谷風(fēng)向多變,影響飛行安全性,無人機(jī)飛行平臺必須滿足飛行高度在5 000 m 以上,電池需滿足有效作業(yè)時間大于20 min,無人機(jī)荷載要大于5 kN,要有高原槳葉,能滿足-20 ℃低溫下工作條件,抗風(fēng)能力要大于5 級,并支持仿地飛行控制接口[9]。 基于此指標(biāo)對國內(nèi)外無人機(jī)產(chǎn)品比對,并經(jīng)現(xiàn)場試飛測試,確定國產(chǎn)科衛(wèi)泰KWT-X6L-15 六旋翼無人機(jī)作為本次工作任務(wù)的飛行平臺,飛行平臺參數(shù)信息見表1。

表1 無人機(jī)平臺詳細(xì)參數(shù)

3.2 LiDAR 設(shè)備類型

根據(jù)作業(yè)區(qū)域地形地貌、植被覆蓋度等特點,激光雷達(dá)測量設(shè)備主要考慮的性能指標(biāo)有:具有較高的有效長測距能力,光束發(fā)散角度優(yōu)于0.5 mrad,角度分辨率優(yōu)于0.001°,以保障光束具有足夠的植被穿透力;具有多次回波能力,以獲取真實地面信息;具有高精度且穩(wěn)定可靠的GNSS/IMU 慣導(dǎo)系統(tǒng),水平絕對中誤差優(yōu)于5 cm,高程絕對中誤差優(yōu)于5 cm;要想高效獲取高密度點云數(shù)據(jù),即需要具有較小的掃描分辨率與較高的掃描頻率,以及多次回波能力。 通過對國內(nèi)外現(xiàn)有輕型LiDAR 設(shè)備比對,經(jīng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集檢驗,確定采用國產(chǎn)華測AS-1300HL 輕型激光雷達(dá)測量系統(tǒng)作為本次工作的激光點云數(shù)據(jù)獲取設(shè)備。

4 數(shù)據(jù)獲取

4.1 飛行計劃制定

為了滿足1 ∶500 比例測繪精度的要求,需盡量獲取測區(qū)內(nèi)密度均勻的激光點,提出利用既有DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行仿地飛行任務(wù)規(guī)劃(見圖2)。 通過既有的1 ∶10 000 比例地形圖制作出數(shù)字地面模型,導(dǎo)入到遙控器進(jìn)行各個工作區(qū)的飛行任務(wù)規(guī)劃,依照地形起伏設(shè)置航線空間走向與分區(qū)情況。 考慮到激光掃描儀的視場角度遠(yuǎn)大于普通航攝相機(jī),航線覆蓋范圍的決策以影像地面分辨率為主,飛行航帶設(shè)計兼顧影像采集指標(biāo),并確保在仿地基準(zhǔn)面上地面分辨率差異控制在±25%偏差之內(nèi)。

圖2 仿地飛行航線設(shè)計

4.2 外業(yè)實施

在航攝飛行提前30 min 架設(shè)好地面基站,并在作業(yè)之前進(jìn)行設(shè)備自檢、定位精度檢核。 由于針對高原復(fù)雜山區(qū)已經(jīng)建立了星基、地基北斗高精度CORS 服務(wù)網(wǎng)絡(luò),依靠北斗混合星座組網(wǎng)及多頻點的特點,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)在復(fù)雜山區(qū)存在定位精度粗差大、抗遮擋能力差的問題[10-11]。 因此,AS-1300HL 設(shè)備航跡解算需要北斗導(dǎo)航衛(wèi)星支持,地面基站架設(shè)盡量要能支持北斗衛(wèi)星的接收機(jī),否則后續(xù)軌跡解算會降低精度。 另外,針對大高差、大坡度地形,需要提升有效航向、旁向的重疊區(qū)至80%、60%[12],以保障相鄰像對重疊區(qū)域內(nèi)的有效地面分辨率差異小,又能獲取更多的地面激光點云數(shù)據(jù)。 綜上,本次作業(yè)設(shè)計飛行相對航高為300 m,激光掃描頻率設(shè)定為400 kHz,無人機(jī)飛行速度設(shè)計為30 km/h,由此計算出點密度為22點/m2,共設(shè)計航線130 條,飛行測線78 km,選擇了測區(qū)天氣狀況良好且光照充足的8 個工作日時間段,共飛行25 個架次完成測區(qū)激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)及航攝影像數(shù)據(jù)的獲取。 采集了勘測人員無法到達(dá)的設(shè)計線路隧道口、高陡邊坡等區(qū)域激光點云與數(shù)碼影像數(shù)據(jù),填補(bǔ)了測區(qū)地形復(fù)雜地段范圍無高精度測繪數(shù)據(jù)的空白。 無人機(jī)LiDAR 數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場環(huán)境見圖3。

圖3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包含激光點云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)的處理。激光點云數(shù)據(jù)的處理一般包括原始數(shù)據(jù)預(yù)處理和后處理2 個步驟。 航攝外業(yè)獲取的原始數(shù)據(jù)主要包含GNSS 數(shù)據(jù)、IMU 數(shù)據(jù)、時間數(shù)據(jù)、激光距離測量值、各影像波段等的記錄值等。 激光點云的數(shù)據(jù)預(yù)處理需要將原始采集數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理得到激光點的三維坐標(biāo)值,主要包含航跡解算、點云配準(zhǔn)、融合等步驟;航攝影像數(shù)據(jù)的處理主要為空中三角測量解算、正射影像的生成等;激光點云數(shù)據(jù)后處理就是對融合之后的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行地物濾波分類,得益于多次回波特性,將落在地形表面上的點與非地形表面上的點(樹木、植被、高壓鐵塔、建筑物)進(jìn)行有效分離[13-14],最后將這些數(shù)據(jù)用于后續(xù)的大比例數(shù)字高程模型、地形圖制作、斷面及中樁坐標(biāo)的提取。

5.1 航跡解算

從原始點云數(shù)據(jù)中解算分離移動站的GNSS 數(shù)據(jù),IMU 數(shù)據(jù),然后在Inertial Explorer8.7(IE)軟件中對分離出的組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行差分、融合、平滑處理,最后輸出所需要的POS 航跡數(shù)據(jù)[15]。 IE 解算后,在無失鎖情況下精度指標(biāo)達(dá)到位置精度:平面坐標(biāo)應(yīng)優(yōu)于0.05 m,高程精度應(yīng)優(yōu)于0.08 m;姿態(tài)精度:Roll 及Pitch 應(yīng)優(yōu)于18″,Heading 應(yīng)優(yōu)于90″[16]。

5.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

激光點云數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包含如下步驟:點云融合、初步濾波、原始數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、點云精處理等,分別在CoPre、CoRefine 軟件完成。 在CoPre 軟件中加載激光原始數(shù)據(jù)(*. rxp)、航跡文件(*. PosT)及設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)(*.EP),設(shè)置系統(tǒng)相關(guān)的檢校參數(shù),將其轉(zhuǎn)換為LAS 點云通用格式。 因掃描角設(shè)置較大,會引起設(shè)備遮擋及云霧等產(chǎn)生噪點信息,需在點云航帶間匹配后將掃描角110°以外的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行手動刪除。LAS 格式的激光點云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)按照CGCS2000 橢球TM 投影標(biāo)準(zhǔn)3°分帶成果進(jìn)行處理,為進(jìn)一步提高航線匹配精度,在CoRefine 軟件中進(jìn)行點云航帶間的姿態(tài)和位置糾正,輸出最終的LAS 格式點云數(shù)據(jù),在TerraSolid 軟件中采用距離測區(qū)最近的初測控制網(wǎng)點兩套坐標(biāo)(WGS84 平面坐標(biāo)+橢球高;CGCS2000 平面坐標(biāo)+海拔高)轉(zhuǎn)換LAS 點云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)為工程獨立坐標(biāo),坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度要求平面、高程≤0.1 m。 激光點云質(zhì)量檢查主要包含以下3 點[16-17]。

(1)激光點云數(shù)據(jù)覆蓋范圍、相對漏洞、絕對漏洞檢查,重疊度檢查。

(2)點密度及均勻度檢查,點密度達(dá)到規(guī)范要求(平均點密度≥16 點/m2)。

(3)航帶高程較差檢查、平面較差檢查,本項目地形等級為Ⅳ級,按照相關(guān)規(guī)范(一般控制在0.15 m 以內(nèi),大于0.15 m 時,返回重新解算)。

無人機(jī)影像數(shù)據(jù)預(yù)處理采用ContextCapture 軟件進(jìn)行處理,其正射產(chǎn)品成果見圖4。

5.3 數(shù)據(jù)后處理

(1)激光點云自動分類

本項目處于西南高山區(qū)河谷地帶,植被覆蓋度高且地形陡峭,采用目前的主流點云數(shù)據(jù)處理軟件TerraSolid 提取地面點,首先在TerraSolid 軟件中編寫適合測區(qū)地形條件的宏命令,根據(jù)試驗,在處理地形起伏較大的山區(qū)地形時宏命令編寫中,迭代角度應(yīng)適當(dāng)增大,本項目設(shè)置為15°;距離迭代應(yīng)根據(jù)點云密度確定,本項目設(shè)置為1 m;其他參數(shù)也應(yīng)設(shè)置恰當(dāng)。 由于真實場景的復(fù)雜多樣性,使用通用的參數(shù)設(shè)置模式存在泛化能力差的問題,精度與效果不能保障,因此采用多種參數(shù)組合控制實驗,對地面點云自動濾波進(jìn)行預(yù)處理,以找出最優(yōu)的濾波參數(shù),實現(xiàn)有效先驗知識限制性濾波。

(2)激光點云精細(xì)分類

精細(xì)分類處理主要目的是提高分類的精度,剔除自動分類的粗差點,其中包括錯分成地面點、植被、低點等的噪點,以及由于測區(qū)環(huán)境復(fù)雜(分類參數(shù)無法顧及所有地形、地貌與地物分布)導(dǎo)致的山脊、山溝、山頂、陡坎、懸崖等漏分錯分情況[18-20]。 在手工精細(xì)分類環(huán)節(jié)質(zhì)量控制措施如下。

①采用航攝數(shù)碼影像紋理信息輔助對點云進(jìn)行判識分類[21-22]。

②采用將點云按分類顯示、高程顯示等方法,查看有無異常,對有疑問的地方人工用斷面圖進(jìn)行檢查和分析。

③地面點一般采用建立切片渲染模型的方法檢查,可繪制出不連續(xù)、不光滑處的斷面圖進(jìn)行詳查,并參考快速正射影像等數(shù)據(jù)輔助檢查地面點分類的可靠性。

④大面積點云選取剖面,查看有無未剔除的噪點。

最終的精細(xì)處理后的點云數(shù)據(jù)成果見圖5。

圖5 精細(xì)處理地面點云渲染

(3)精度評定

地面點分類完成后,按照飛行區(qū)域為工程單位,分別提取模型關(guān)鍵點并輸出,并將模型關(guān)鍵點(*. las)導(dǎo)入TerraSolid,重新構(gòu)建數(shù)字地面模型,在能開展外業(yè)測量區(qū)域,采用外業(yè)實測中樁點進(jìn)行點云數(shù)據(jù)精度評定,誤差統(tǒng)計分別見圖6、表2。

表2 Lidar 點云數(shù)據(jù)與外業(yè)實測中樁高程差值對比

圖6 實測中樁與分類后點云數(shù)據(jù)精度報告

項目參與檢查的野外實測的中樁高程檢查點共197 個,點位分布在溝底、陡坎邊、山脊、密林地區(qū)等特征點區(qū)域,經(jīng)檢查,測區(qū)的高程中誤差為0.271 m,最大高程較差為0.577 m。 對高程較差大于0.5 m 的點進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)該區(qū)域植被覆蓋度高,能夠到達(dá)地面上的激光點云較少,另外有些地形特征點(比如陡坎、溝底)缺少地面點,也會造成該區(qū)域的精度受損失,但該區(qū)域的整體精度按照誤差分配原則均能滿足1 ∶500 比例航空攝影測量相關(guān)規(guī)范精度指標(biāo)要求。

6 測繪成果生產(chǎn)

6.1 1 ∶500 比例地形圖

在TerraSolid 軟件中用,最終提取的激光點云精細(xì)地面點及模型關(guān)鍵點點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建數(shù)字地面模型,由于山區(qū)場景中存在大量的復(fù)雜地形特性,還需通過半自動輔助地形特征重建,此時可獲取高精度的可量測的數(shù)字地面模型數(shù)據(jù);接著結(jié)合正射影像及立體影像數(shù)字化地物,把河流、建筑物、道路等地理要素按比例尺繪制,同時標(biāo)注高程點;然后根據(jù)地形信息、地物屬性信息自動創(chuàng)建等高線圖層;由于存在測繪其他復(fù)雜約束、經(jīng)驗與語義約束,導(dǎo)致自動生成的地形數(shù)據(jù)存在扭曲、壓蓋等問題,最后在dlgmate2021 地形圖編輯軟件中進(jìn)行圖形編輯、整飾得到1 ∶500 比例地形圖。

6.2 線路橫縱斷面

根據(jù)鐵路中線及斷面里程,按斷面的要求寬度,在TerraSolid 軟件中,通過設(shè)置斷面節(jié)點距離、變坡點位置,軟件經(jīng)過自動依節(jié)點與地形數(shù)據(jù)求交獲取高程信息,完成橫斷面的提取工作;根據(jù)線路中線中樁樁號及平面坐標(biāo),基于地面點構(gòu)建數(shù)字高程模型并內(nèi)插出每個中樁點的高程坐標(biāo)作為最終的縱斷面成果。

7 結(jié)論

(1)將仿地飛行大載荷無人機(jī)長距離LiDAR 技術(shù)作為一種新型低空航空攝影測量手段,其搭載方式靈活,受天氣影響小、數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短、激光點能穿透植被,具有多次回波、精度高等優(yōu)勢,在植被覆蓋度高、地形陡峻的高原山區(qū)鐵路勘測中發(fā)揮了重要作用,能夠為該類型鐵路高精度地形測繪、橫縱斷面測量提供一種新的手段。

(2)在高海拔山區(qū),需選擇續(xù)航時間長、GNSS/慣導(dǎo)精度可靠、長測距激光掃描儀的無人機(jī)LiDAR 平臺,在落差較大地區(qū),為獲取點密度均勻的激光點云數(shù)據(jù),通過仿地飛行航線設(shè)計,可獲取作業(yè)現(xiàn)場的高精確測繪成果。

(3)通過本次工作獲取了高原復(fù)雜山區(qū)無人機(jī)LiDAR 平臺的各項性能指標(biāo),包括起降電池電壓臨界值、飛行時間、激光點密度、基站架設(shè)距離、提高POS解算精度措施、地形陡峻區(qū)域激光點云提取參數(shù)設(shè)置等關(guān)鍵指標(biāo),探索針對高海拔、艱險復(fù)雜地形、高寒缺氧等特殊環(huán)境下的無人機(jī)LiDAR 測繪技術(shù)應(yīng)用方案與操作標(biāo)準(zhǔn)流程,可為在類似地區(qū)開展相關(guān)測繪工作提供技術(shù)借鑒。