地面激光雷達(dá)技術(shù)在鐵路勘測中的應(yīng)用

李海亮

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 湖北武漢 430063)

1 引言

三維激光掃描技術(shù)(Terrestrial Laser Scanning，TLS)是測繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命。不同于傳統(tǒng)的單點測量方法，TLS具有高效率、高精度的獨特優(yōu)勢[1]，為建立物體的三維實體模型提供了一種全新的技術(shù)手段。

三維激光掃描技術(shù)廣泛應(yīng)用于隧道監(jiān)測[2]、文物保護(hù)[3]、模型重建[4]等領(lǐng)域。近年來，激光雷達(dá)(LIDAR)技術(shù)在鐵路勘測中應(yīng)用越來越廣，文獻(xiàn)[5]分析了機載LIDAR相比傳統(tǒng)航測技術(shù)在鐵路勘測中的優(yōu)勢，提高了鐵路勘測的速度以及自動化程度；文獻(xiàn)[6]介紹了激光雷達(dá)在埃塞俄比亞鐵路測繪中的應(yīng)用；文獻(xiàn)[7]介紹了激光雷達(dá)在鐵路斷面生產(chǎn)中的應(yīng)用，提高了橫縱斷面的生產(chǎn)效率；文獻(xiàn)[8]中介紹了激光雷達(dá)技術(shù)在昌景黃鐵路斷面測量中的應(yīng)用，文中對LIDAR和RTK的斷面結(jié)果做了對比分析。總的來說，LIDAR減少外業(yè)投入的同時也提高了勘測質(zhì)量，具有一定的優(yōu)勢。文獻(xiàn)[9]對比了傳統(tǒng)方法、航測方法以及激光雷達(dá)方法在斷面生產(chǎn)中的應(yīng)用，突出了激光雷達(dá)方法的優(yōu)勢；文獻(xiàn)[10]中利用車載激光雷達(dá)進(jìn)行鐵路線路復(fù)測，具有自動化程度高的特點；文獻(xiàn)[11]利用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)生產(chǎn)了鐵路DEM、DOM、地形圖及斷面圖，提高了鐵路勘測設(shè)計的自動化強度。上述都是機載激光雷達(dá)在鐵路勘測中的應(yīng)用，機載激光雷達(dá)能較好地實現(xiàn)鐵路勘測，但因其成本高和作業(yè)工期不固定，不適合小范圍勘測。文獻(xiàn)[12]利用激光雷達(dá)進(jìn)行工點1∶500地形圖測繪，具有精度高、安全系數(shù)高等特點；文獻(xiàn)[13]提出了一種提高鐵路車載激光雷達(dá)精度的方法，通過調(diào)節(jié)控制點的密度對點云進(jìn)行精簡，提高了鐵路點云的精度。

本文根據(jù)鐵路勘測特點，以及現(xiàn)有勘測方法存在的不足，提出了地面激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理方案。將地面LIDAR應(yīng)用于鐵路勘測中，生產(chǎn)高精度地形圖及斷面圖，并對其應(yīng)用優(yōu)勢進(jìn)行分析，突出了地面LIDAR在非接觸式測量、數(shù)據(jù)多用性以及項目補測三個方面的優(yōu)勢。

2 地面激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

在實際工程應(yīng)用中，地面LIDAR主要通過引入外部參考的掃描方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該方法通過利用全站儀測出標(biāo)靶在外部坐標(biāo)系的坐標(biāo)，直接將每站掃描的點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到外部坐標(biāo)系中。采集流程如圖1所示。

圖1 地面LIDAR數(shù)據(jù)獲取流程

2.2 點云數(shù)據(jù)處理

原始點云數(shù)據(jù)量非常大，包含大量的噪聲以及空洞，無法直接使用，必須對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，主要包括點云的去噪、空洞修補、配準(zhǔn)和壓縮等。

(1)點云去噪

點云去噪一般采用雙邊濾波和人機交互式去噪方法，雙邊濾波利用點云鄰域法向量信息濾除噪聲信息，方法簡單有效，擁有很快的速度，最重要的是該方法能保持點云的特征，具有很好的實用性；人機交互式去噪能濾除一些雙邊濾波算法不能濾除的噪聲，讓數(shù)據(jù)質(zhì)量更高。

(2)點云配準(zhǔn)

在實際工程項目中，由于測區(qū)大小、地形限制等因素，不可能從一個站點獲得整個測區(qū)的點云數(shù)據(jù)，因此必須從不同的視角對測區(qū)進(jìn)行掃描。如何將不同站點間的點云數(shù)據(jù)拼接起來是點云數(shù)據(jù)處理中的關(guān)鍵問題。在工程測量中，通過精確測量每站的標(biāo)靶坐標(biāo)，直接獲得標(biāo)靶的絕對坐標(biāo)(如工程坐標(biāo)系中的坐標(biāo))。配準(zhǔn)時，各測站都直接轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的絕對坐標(biāo)系中，不存在多站坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的傳遞誤差，整體精度均勻。

3 地面LIDAR在鐵路勘測中的應(yīng)用及優(yōu)勢分析

3.1 非接觸測量方式

在鐵路勘測設(shè)計中，經(jīng)常會遇到陡坡、懸崖等難以到達(dá)的工點，傳統(tǒng)的接觸測量方法需耗費大量人力物力，且效率低、安全性差；地面LIDAR作為非接觸測量技術(shù)的代表，省去了跑棱鏡、立尺等工作，特別適合復(fù)雜困難地區(qū)的鐵路勘測設(shè)計。

3.2 數(shù)據(jù)的多用性

地面LIDAR可獲得測區(qū)點云數(shù)據(jù)和全景影像數(shù)據(jù)，若后期項目方案有變化，只要還在數(shù)據(jù)掃描范圍內(nèi)就無需再次進(jìn)場，提高了鐵路勘測效率；掃描獲得的數(shù)據(jù)可以同時生產(chǎn)斷面、地形圖等產(chǎn)品。具體流程如圖2所示。

(1)斷面測量

在鐵路勘測設(shè)計中，需要大量斷面用于設(shè)計、算量，傳統(tǒng)測量需要耗費大量人力物力，自動化程度低。對于地面LIDAR而言，獲取點云數(shù)據(jù)后，可根據(jù)需要自動切取縱、橫斷面，大大提高斷面測量的精度、質(zhì)量和效率。

圖2 地面LIDAR鐵路應(yīng)用流程

(2)大比例尺工點地形圖測繪

地面點云密度大，基本能反映真實地表地貌，結(jié)合高精度正射影像圖可以提取測區(qū)的特征點以及地物輪廓。同時利用RiScan Pro軟件的自動濾波功能可以剔除非地貌的激光點云，自動生成高精度的DEM及高程數(shù)據(jù)；將高密度地貌激光點云導(dǎo)入到CASS軟件中，利用CASS軟件自動內(nèi)插生成等高線，在山頂、地貌變換點及等高線的適當(dāng)位置選取高程注記點，加快了大比例尺工點地形圖的生產(chǎn)效率。

3.3 項目補測

在鐵路勘測設(shè)計中，項目往往會涉及到補測的問題。航空攝影測量受空中管制，投入成本大；傳統(tǒng)測量方法需要投入大量人力，效率低下，同時某些地區(qū)測量難度大，比如山區(qū)、林區(qū)等。利用地面LIDAR可以很好地解決這一問題，地面LIDAR不需要人工過多地干預(yù)，具有全天時、全天候的特點，在困難復(fù)雜地區(qū)也能正常使用，提高了鐵路勘測的效率。

4 工程應(yīng)用與分析

4.1 工程概況

贛深鐵路(贛州至深圳鐵路)北起江西省贛州市贛州西站，向南途經(jīng)廣東省河源、惠州、東莞、深圳市，終點接入深圳北站，新建正線全長436.37 km，是國家骨干干線——京九客運專線(京九高鐵)的內(nèi)地最南段部分。該線路對完善華南地區(qū)高速鐵路網(wǎng)絡(luò)，密切華南、華中、華東、粵贛地區(qū)經(jīng)濟聯(lián)系，大幅縮短珠三角、長三角人員交通往來，有著極其重要的作用。

贛深鐵路信豐段屬丘陵地形，為了研究地面激光雷達(dá)在鐵路勘測中的應(yīng)用方法、驗證精度和作業(yè)流程，在該工程中進(jìn)行了應(yīng)用試驗。試驗中分別根據(jù)地形特征和植被覆蓋程度選擇三個試驗段，驗證地面激光雷達(dá)的應(yīng)用效果。

4.2 數(shù)據(jù)采集

在三個測區(qū)分別采用Riegl VZ2000通過多站掃描采集了測區(qū)的激光點云和全景影像。每一站掃描時，分別布設(shè)了反射靶標(biāo)，并利用GPS RTK和全站儀測量了每個靶標(biāo)在工程坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。根據(jù)測區(qū)的范圍和遮擋情況，測區(qū)一架設(shè)了兩站，測區(qū)二架設(shè)了六站，測區(qū)三架設(shè)了四站。

4.3 數(shù)據(jù)處理

(1)點云定向

點云定向是指通過已知信息計算掃描儀的三維位置和姿態(tài)。本試驗分別采用以下四種方法進(jìn)行點云定向。定向完成后，通過反射靶標(biāo)檢查定向精度。

①采用4個以上靶標(biāo)進(jìn)行單站定向，定向精度為0.017 m。

②采用已知測站坐標(biāo)和1個后視靶標(biāo)定向，定向精度為0.025 m。

③定向一站后，其他測站自動拼接到已定向站上，定向精度為0.029 m。

④采用已知測站坐標(biāo)多站聯(lián)合平差進(jìn)行定向，定向精度為0.015 m。

四種方法均能保證定向精度，方法①和④精度相對較高，但方法④要求不同測站要有同名地物和較大重疊度，否則難以保證定向成功。在鐵路工點應(yīng)用時，方法①最為穩(wěn)健，多余觀測值多，即使有部分點不可用，也可以采用方法②和③進(jìn)行定向。

(2)點云去噪和植被濾除

利用RiScanPro軟件和TerraSolid軟件對點云進(jìn)行去噪和植被濾除。

(3)點云高程精度評定

在三個測區(qū)分別采用外業(yè)實測的散點對激光雷達(dá)點云高程精度進(jìn)行檢查。本次共統(tǒng)計200個散點，包括地物點、植被地區(qū)的點、點云空洞處的點，平均誤差為0.08 m，中誤差為0.15 m，該精度滿足鐵路斷面測量和1∶500地形圖精度要求。在植被或者空洞處，激光點云高程和實測高程有一定的差距，主要是植被遮擋及內(nèi)插錯誤導(dǎo)致，不能真實反映地表形態(tài)；對于其他地形，激光點云高程與實測高程相差不大，能真實反映地表形態(tài)。

(4)斷面精度評定

為了驗證激光雷達(dá)的斷面精度，通過野外實測斷面與點云生成的斷面進(jìn)行對比，如圖3所示。

圖3 野外實測斷面和點云生成的斷面對比

由圖3可知，野外實測斷面和點云生成的斷面基本重合，大部分位置兩條斷面差距均在0.03 m以內(nèi)，少數(shù)地形差距超過0.05 m，如圖中圓圈處，該區(qū)域存在植被遮擋，地面激光雷達(dá)未能正確表達(dá)地表形態(tài)。

(5)地形圖精度評定

為了驗證地面激光雷達(dá)生產(chǎn)的1∶500地形圖精度，在測區(qū)三實測了地形圖檢查點，如圖4所示。

圖4 激光雷達(dá)地形圖

圖4為點云數(shù)據(jù)生成的1∶500地形圖，圖4a為道路部分的放大圖，圖中的4個點為地形圖檢查點，與實測的高程相差不大，滿足1∶500地形圖的精度要求；圖4b為測區(qū)的整體效果圖，生成的等高線及地物均能滿足鐵路勘測的精度要求。

(6)效率評定

為驗證地面激光雷達(dá)的工作效率，以三個測區(qū)的內(nèi)外業(yè)時間作為指標(biāo)進(jìn)行定量評價。傳統(tǒng)勘測方法內(nèi)外業(yè)一起做，2人共需10 d時間；而地面激光雷達(dá)勘測方法同樣是2人，外業(yè)僅需2 d時間，內(nèi)業(yè)僅需1 d時間，總耗時3 d，效率提高三倍以上。

5 結(jié)論

LIDAR是一種新興的測繪技術(shù)，廣泛應(yīng)用于鐵路勘測中，文中重點分析了地面LIDAR技術(shù)在鐵路勘測中的優(yōu)越性。相對于機載LIDAR，地面LIDAR不受空中管制的限制，同時能應(yīng)用于困難復(fù)雜地區(qū)勘測，具有更好的經(jīng)濟效益；相對于傳統(tǒng)測量方法，地面LIDAR具有全天時、全天候、非接觸測量的優(yōu)點，具有很高的生產(chǎn)效率。本文以實際工程應(yīng)用驗證了地面LIDAR在鐵路勘測設(shè)計中的高效性，在保證斷面圖及大比例尺工點地形圖精度前提下，地面LIDAR勘測效率為傳統(tǒng)方法的3倍以上。本文對地面LIDAR技術(shù)在鐵路勘測設(shè)計中的應(yīng)用具有借鑒意義。