基于地面激光雷達技術(shù)的鐵路工點地形圖測繪方法

夏緒川

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢　430063)

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基于地面激光雷達技術(shù)的鐵路工點地形圖測繪方法

夏緒川

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢430063)

摘要對于地處陡崖、峽谷等復(fù)雜困難地區(qū)的鐵路建設(shè)工點，采用常規(guī)方法很難測繪其所需的1∶500工點地形圖。研究基于地面激光掃描技術(shù)的鐵路工點地形圖測繪方法和流程。工程應(yīng)用表明，該方法具有勞動強度低、安全系數(shù)高等優(yōu)點，其成果滿足鐵路1∶500工點地形圖的精度要求。

關(guān)鍵詞地面激光雷達鐵路工點地形圖

在鐵路設(shè)計中，優(yōu)化線路方案、選擇橋型橋式、定位橋墩橋臺、地質(zhì)鉆孔布置及隧道進出口位置勘測等工作都需要測繪工點處的1∶500工點圖。目前，鐵路1∶500工點地形圖通常采用GPS-RTK、全站儀等技術(shù)人工實地測繪完成，手段雖然成熟可靠，但費時費力，特別是在險、難勘測工程環(huán)境下，給測繪人員的安全和勘測質(zhì)量帶來較大隱患。

地面三維激光掃描技術(shù)通過內(nèi)業(yè)對三維點云進行信息提取，可以生成高質(zhì)量的地形圖。該方法具有測量精度高、勞動強度低、安全系數(shù)高等優(yōu)點，與GPS-RTK、全站儀等技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢。以Rigel VZ1000三維激光掃描儀為例，對基于地面激光掃描技術(shù)測繪鐵路1∶500工點地形圖的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理方法進行研究。

1數(shù)據(jù)采集

1.1Rigel VZ1000掃描儀

地面三維激光掃描儀分為脈沖式和相位式兩種。脈沖式激光掃描儀的特點是測程較長，點位精度較高，并配備數(shù)碼相機，但掃描速度較慢，視場角較小，單站作業(yè)效率較低。而相位式激光掃描儀的特點是速度非常快，視場角較大，近似于全方位掃描，單站作業(yè)效率較高，但測程較短，點位精度較低。鐵路工點位置多處于山區(qū)，脈沖式激光掃描儀更為合適。

Rigel VZ1000地面激光掃描儀屬于脈沖式激光掃描儀，是Rigel公司新一代激光掃描儀的代表性產(chǎn)品，全波形回波技術(shù)和實時全波形數(shù)字化處理與分析技術(shù)使其可穿透植被獲取地表信息，特別適合山區(qū)作業(yè)，其主要參數(shù)如表1所示。

表1　Rigel VZ1000地面激光掃描儀主要參數(shù)

1.2數(shù)據(jù)采集方案

(1)控制網(wǎng)點布設(shè)

地面激光掃描儀直接獲取的是局部坐標系坐標，需要通過控制點將獲取的點云數(shù)據(jù)變換到鐵路工程所在的測區(qū)坐標系中。鐵路工程建設(shè)中，在工點圖測繪前，通常已經(jīng)建立基礎(chǔ)控制網(wǎng)(一般沿線路每5 km布設(shè)一對點)，掃描前，可以通過GPS-RTK和高程擬合技術(shù)對基礎(chǔ)控制網(wǎng)進行加密，在工點附近建立局部控制網(wǎng)，用于后續(xù)坐標變換。

(2)反射標靶的布設(shè)與測量

Rigel VZ1000三維激光掃描儀通過反射標靶進行定向，掃描時一個工點須布設(shè)3個以上反射靶標。反射靶標的布設(shè)須充分考慮測區(qū)的地形地貌形態(tài)，盡可能使反射靶標呈環(huán)形均勻布設(shè)，距離遠近不一，高度不同，并避免所有靶標在一個平面上。反射標靶的測量可采用無合作目標全站儀進行，首先通過局部控制網(wǎng)對全站儀進行定向，然后對反射靶標進行一一測量。

(3)掃描作業(yè)

典型的Rigel VZ1000三維激光掃描儀的作業(yè)流程如下：

①根據(jù)工點的實際情況、掃描距離和角度，選擇架站位置，將掃描儀架在三腳架上，組裝好掃描儀，并將掃描儀與便攜計算機連接好，打開掃描儀和計算機，確定二者通信正常。

②在RiScan Pro軟件中建立測站，粗掃全景點云并拍攝全景影像。

③對布設(shè)的反射靶標進行精掃。

④根據(jù)工點的范圍，在粗掃的點云圖上圈定掃描范圍，開始精掃。

⑤如果一站不足以掃描工點范圍，可重復(fù)以上步驟，遷站繼續(xù)掃描。

2數(shù)據(jù)處理

2.1點云數(shù)據(jù)處理

外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，為了生成地形圖，要對點云進行處理，Rigel VZ1000三維激光掃描儀數(shù)據(jù)處理采用RiScan Pro軟件進行，處理流程如下。

(1)配準

①相對方式：該方式以某一掃描站的坐標系為基準，其他各站的坐標系統(tǒng)都轉(zhuǎn)換到該站的坐標系統(tǒng)下，相對方式掃描時只需要在不同站之間共有3個以上同名標靶即可，不需要測量標靶的絕對坐標，統(tǒng)一后的坐標是在某一掃描站坐標系統(tǒng)下的坐標。但如果連續(xù)傳遞的站數(shù)較多，則容易產(chǎn)生較大的傳遞誤差。

②絕對方式，它是一種將掃描儀和常規(guī)測量相結(jié)合的方式，每站的標靶坐標通過全站儀或其他儀器精確測量，直接獲得標靶的絕對坐標(如工程坐標系中的坐標)。配準時，各測站都直接轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的絕對坐標系中，不存在多站坐標轉(zhuǎn)換的傳遞誤差，整體精度均勻。在地形測繪當中一般采用絕對方式配準，也可以將兩者結(jié)合起來使用。

(2)紋理映射

紋理映射通過RiScan Pro軟件中的紋理映射功能實現(xiàn)。由固定在掃描儀上的數(shù)碼相機所采集高分辨率相片獲取紋理信息，并映射到點云上，實現(xiàn)點云賦色。為了實現(xiàn)高精度的紋理映射，需要在軟件中輸入廠家提供的相機內(nèi)參數(shù)文件并交互選擇3對以上的影像與點云的同名點。

2.2生成地形圖

(1)提取地物特征

在配準好的點云數(shù)據(jù)中手工提取地物特征點、線，如房屋輪廓線、道路點等。地物特征提取可以利用RiScan Pro軟件中的矢量繪制功能。該功能可以在點云中勾勒出矢量并導(dǎo)出為CAD格式數(shù)據(jù)，將CAD格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入到大比例尺測圖軟件中編輯繪制地物。

(2)生成等高線

三維激光掃描技術(shù)是對整個測區(qū)空間信息的掃描，包含了地表的所有信息。地形表面的樹木植被及地物的存在會影響等高線的自動生成，在生成等高線前需要將非地貌部分的點云數(shù)據(jù)剔除。剔除后得到的地貌數(shù)據(jù)對于地形測繪來講其點位太密，且分布不均勻。因此，一般將剔除非地貌因素后的點云數(shù)據(jù)按地形測繪要求的密度進行抽稀。最后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到大比例尺數(shù)字測圖軟件中，自動生成等高線。

(3)編輯地形圖

將地物圖形與等高線圖形進行疊加和編輯，這時需要對像片及點云數(shù)據(jù)手動進行修改。最后加上高程注記，生成圖廓并進行局部整飾。

3應(yīng)用實例

溫州市域鐵路S2線位于溫州沿海交通走廊內(nèi)，北起樂清虹橋鎮(zhèn)，向南至樂成新區(qū)，于甌江北口過江引人S1線靈昆站，跨甌江南口至機場，沿濱海大道南行，終至莘陽大道，線路長約68.8 km，其中隧道和地下線長約11.1 km。在本項目的定測階段，各個工地采用GPS-RTK技術(shù)測制了1∶500工點地形圖。但樂成隧道出口山勢陡峭，山坡上多碎石，其中相當一部分是懸崖，測繪人員無法到達，常規(guī)的測繪方法很難測制該工點地形圖。因此，項目中引入地面三維激光掃描技術(shù)。

項目采用Rigel VZ1000三維激光掃描儀對隧道出口進行掃描，通過GPS-RTK技術(shù)建立局部控制網(wǎng)，利用無合作目標全站儀測量靶標坐標，半天即完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作，獲取了平均點間距為8 cm的彩色激光點云(如圖1所示)。

圖1　掃描得到的彩色激光點云

點云數(shù)據(jù)的處理采用RiScan Pro軟件進行，通過CASS軟件生成1∶500地形圖。根據(jù)測區(qū)的特點和周圍環(huán)境確定掃描站及標靶，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)配準、地物繪制、非地貌數(shù)據(jù)剔除、等高線自動生成、地形圖編輯等，生成最終的工點地形圖，整個內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時間為2 d(如圖2)。

圖2　基于地面激光點云生成的工點地形

采用全站儀實地采集5個地物特征點和20個地貌散點，工點地形圖的平面和高程中誤差如表2所示。

表2　工點地形圖精度統(tǒng)計

從表2中可以看出，該工點地形圖滿足《鐵路工程測量規(guī)范》(TB10101—2009)中平面0.8 m，高程0.33 m的限差要求。

4結(jié)論

以Rigel VZ1000三維激光掃描儀為例，系統(tǒng)研究基于地面激光掃描技術(shù)測繪鐵路1∶500工點地形圖的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理方法。工程實踐應(yīng)用表明，本文方法在保證測量人員安全的情況下，可降低外業(yè)工作強度，提高工作效率，其成果滿足鐵路定測1∶500工點地形圖的精度要求。

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收稿日期：2016-03-08

文章編號：1672-7479(2016)03-0013-03

中圖分類號：P225；P231.5

文獻標識碼：B

Topographic Mapping Method of Railway Construction Site Based on Ground Three-dimensional Laser Scanning

XIA Xuchuan