高文峰 王長進

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司, 天津 300251)

近年來,隨著GPS定位技術(shù)、IMU慣性導航技術(shù)、激光測距技術(shù)及精密制造技術(shù)的發(fā)展,機載激光雷達系統(tǒng)在工藝制造水平和應用精度上都大幅提高,使得機載激光雷達技術(shù)(后文簡稱LIDAR)的應用越來越廣泛。2009年初,鐵道第三勘察設計院集團有限公司率先在路內(nèi)引進了機載激光雷達系統(tǒng),并結(jié)合多個勘察設計項目中進行了應用研究,取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。利用LIDAR獲取的三維點云數(shù)據(jù),通過對其進行分類獲取地面精細DEM,從而切繪出橫斷面是LIDAR技術(shù)的一個重要應用。但現(xiàn)實地形情況千差萬別,在生產(chǎn)過程中會遇到各種各樣的問題,本文將結(jié)合具體工程事例,通過對LIDAR穿透植被能力的分析,來討論利用LIDAR技術(shù)生產(chǎn)斷面方面存在的問題及其解決方案。

1 LIDAR數(shù)據(jù)獲取情況及應用LIDAR的主要問題

某鐵路勘察設計項目地處中國中南部,該地區(qū)地形起伏很大,很多地方相對高差超過1 000 m,且天氣狀況較差,要想獲得理想的點云數(shù)據(jù)難度非常大。根據(jù)地形特點及生產(chǎn)實際情況,采用Leica ALS60機載激光雷達設備,飛行平臺為運5固定翼飛機,設計的點云平均點間距為0.7～1.0 m,航線寬度為2 km,完成有效航線里程2 000余km,航飛面積約1 800 km2。

應用點云數(shù)據(jù)生產(chǎn)斷面面臨兩個主要的難題,一是點云的不連續(xù)性,在關(guān)鍵變坡點處不一定有數(shù)據(jù),從而導致誤差；二是點云分類的準確性,因分類誤差導致斷面精度的降低。該項目所經(jīng)地區(qū)山高林密,激光點穿透能力有限,點云濾波、斷面生產(chǎn)和DEM制作中存在很多的問題需要解決。

2 機載激光雷達系統(tǒng)穿透植被能力的分析

獲取正確、一定密度的地面激光點云是后續(xù)應用的基礎。因此,為了分析后面出現(xiàn)的問題,首先要對機載激光雷達系統(tǒng)穿透植被的能力進行具體的分析。激光穿透植被的方法是“見縫插針”,也就是說,只有在有空隙的地方,激光點才能打到地面上,這與微波的穿透方法不同。在植被稀疏或者不太茂密的地方,會有很多的激光點打到地面,這樣通過橫斷面可以很容易準確的判斷出地形趨勢。但是,如果植被非常茂密,只有極少數(shù)激光點能穿透植被,這種點云數(shù)據(jù)無法正確的反映實際的地形特征,基于這種數(shù)據(jù)無法得到正確的斷面。圖1為該項目部分段落獲取的3月份和7月份的LIDAR數(shù)據(jù)(兩次的設計參數(shù)都是一樣的),3月份該地區(qū)的植被樹葉相對比較稀疏,7月份相對比較茂密。灰色點云表示7月份點云數(shù)據(jù),黑色點表示3月份點云數(shù)據(jù)。

圖1 部分段落點云構(gòu)成

對兩個時期同一地區(qū)的點云數(shù)據(jù)進行分析,以及對植被覆蓋區(qū)與植被稀少區(qū)點云數(shù)據(jù)的對比,可以清楚的看到機載激光雷達穿透植被的能力。其中3月份因植被枝葉稀疏,穿透點較多(實際統(tǒng)計為50％),斷面能有效的表達地形特征,7月份因植被枝葉茂密,穿透點較少(實際統(tǒng)計為15％,部分地區(qū)不到5％),擬合的地面精度較差。因此，南方植被茂密期且被茂密植被覆蓋的區(qū)域,要選擇合適的季節(jié)進行航飛,才能獲取理想的數(shù)據(jù)。

3 不同地形條件下測繪橫斷面的策略

3.1 裸露地表

地面裸露地區(qū)的外業(yè)中樁高程和LIDAR高程配準精度很高,如圖2所示。這種情況下最大的問題在于地形突變LIDAR點的缺少和分類錯誤,但經(jīng)過仔細的分析和相應的檢查,能獲得較好的結(jié)果,這是比較理想的地形,不再贅述。

圖2 裸露地表高程匹配

3.2 局部植被茂密地區(qū)

圖3 局部植被茂密高程匹配

在茂密植被下,因LIDAR高程點較少,用擬合的高程和外業(yè)中樁高程進行比較,誤差較大。如圖3所示,黑色方框處根據(jù)斷面推測為邊坡,無LIDAR點,誤差可達-2.48 m。而該點的兩側(cè)有裸露地面,可以很準確的判斷該點的高程是否正確。這種情況下的斷面相對好處理,因為周圍為平地,只需要在中樁點處添加一高程點即可,即使不加點,該點采用外業(yè)中樁高程也可獲得較高的精度。

3.3 區(qū)域植被茂密

植被茂密區(qū)域的情況比較復雜,因為落在地面上的點要遠遠少于落在樹上的點,用落在地面上的個別點不能正確的擬合地形表面,而用內(nèi)差點的方法工作量會很大。圖4中整個斷面范圍內(nèi)的植被相對茂密,地面上的高程點稀少,造成與外業(yè)中樁高程比較誤差較大。

圖4 區(qū)域植被茂密高程匹配

3.4 植被茂密地區(qū)測繪地形橫斷面

植被茂密地區(qū)測繪地形橫斷面，我們分以下幾種情況討論。

(1)在橫斷面或者地形圖范圍內(nèi)均有茂密植被,且大部分點云均落在灌木叢頂部,灌木叢頂部的點云相對地面可以認為是平行的。這種情況下,我們可以將灌木叢頂部的點云數(shù)據(jù)當作地面點,平移改正灌木叢頂部與地面(外業(yè)中樁可以認為是地面點)之間的高差后生產(chǎn)橫斷面和地形圖。

(2)在橫斷面或者地形圖范圍內(nèi)只有部分段落被茂密植被覆蓋,這種情況下改正是比較困難的,一種方案是不改正,直接以分類地面點做斷面,這種方法的結(jié)果是一個斷面上或者一塊地形圖范圍內(nèi)精度不一致；或是改正誤差的一半,這種方法的結(jié)果是本來正確的地面高程會因為改正變得誤差更大,但整個斷面上的誤差相對均勻。另一種方案是根據(jù)中樁點附近的點云情況選擇,如果中樁點附近有正確的地面點云數(shù)據(jù),就采用原始分類數(shù)據(jù)生產(chǎn)斷面,如果中樁點附近沒有正確的點云數(shù)據(jù),則修正點云高程,這種方法會使中樁附近的一段范圍內(nèi)的斷面精度有所提高,遠離中樁的斷面精度降低。第三種方案是只修改植被覆蓋區(qū)域的點云,這種方法會比較繁瑣,但精度較高。

(3)在橫斷面或者地形圖范圍內(nèi)有茂密植被,但點云分布非常離散,無法判斷與地面平行點云的高度。這種情況下地面點會稍微多點,建議直接采用分類地面點構(gòu)網(wǎng)建模。

4 結(jié)束語

結(jié)合實際鐵路勘測生產(chǎn)項目,針對利用機載激光雷達數(shù)據(jù)測繪橫斷面過程中遇到的一些具體問題進行了探討,望能給同行帶來借鑒價值。鑒于篇幅和作者應用的局限性,不可能將所有情況一一詳細討論,如影像輔助分類、精度分析、數(shù)據(jù)檢查等。另外,不同的問題其具體的解決方案也各有不同,例如在部分植被茂密區(qū)利用影像輔助分類也可以取得良好的效果,而有些地區(qū)則效果不好,需要根據(jù)具體的情況進行分析。

[1]張小紅.機載激光雷達測量技術(shù)理論與方法[M].武漢：武漢大學出版社,2007