李平蒼

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津　300251)

1　機(jī)載激光雷達(dá)簡(jiǎn)介

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)是近幾年快速發(fā)展起來(lái)的一門新技術(shù)，它集成了激光測(cè)距技術(shù)、GNSS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航技術(shù)，能快速獲取地面高精度的三維地面模型，已經(jīng)逐步發(fā)展成為一種全新的對(duì)地觀測(cè)技術(shù)。機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量是將激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)安置在飛行器上，通過(guò)記錄激光脈沖從發(fā)射到被地面目標(biāo)物體反射回激光能量接收裝置的時(shí)間延遲，根據(jù)光在空氣中的傳播速度，可以精確推算發(fā)射點(diǎn)到地面點(diǎn)的斜距；同時(shí)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)定了飛行器的空間姿態(tài)，GNSS獲取飛行器的空間位置。對(duì)激光測(cè)量斜距、GNSS測(cè)量的飛機(jī)航跡信息以及IMU確定的飛機(jī)空間姿態(tài)等信息進(jìn)行聯(lián)合平差處理，求出每一個(gè)激光腳點(diǎn)的三維空間直角坐標(biāo)。

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量與傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量相比有以下特點(diǎn)：

①能直接獲取地面目標(biāo)物上密集的空間三維坐標(biāo)點(diǎn)云；

②受天氣影響小，能全天時(shí)、全天候的獲取數(shù)據(jù)；

③對(duì)植被有較強(qiáng)的穿透力；

④只需極少量地面控制點(diǎn)；

⑤數(shù)據(jù)獲取簡(jiǎn)單、高程精度高、數(shù)據(jù)處理速度快。

2　橫斷面測(cè)繪方法比較

橫斷面測(cè)量的目的是測(cè)定線路中樁處垂直于中線方向的地形起伏形體，計(jì)算土石方量，用于線路、路基的設(shè)計(jì)。一般橫斷面測(cè)繪數(shù)量多，工作量大，對(duì)于山區(qū)、林區(qū)等困難地區(qū)，橫斷面測(cè)量成為制約鐵路勘測(cè)周期的主要因素，目前我國(guó)鐵路定測(cè)常用的橫斷面測(cè)繪方法有如下三種。

(1)實(shí)測(cè)法

實(shí)測(cè)法是利用水準(zhǔn)儀、全站儀、GPS-RTK等儀器設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量，該種方法效率低、周期長(zhǎng)、人力物力消耗大，受天氣、交通、地形等客觀條件的影響大，嚴(yán)重地影響勘測(cè)設(shè)計(jì)的周期。

(2)航測(cè)法

航測(cè)法測(cè)繪橫斷面主要是利用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站，結(jié)合線路中樁高程在立體模型上進(jìn)行斷面數(shù)據(jù)采集。與實(shí)測(cè)方法相比，該方法測(cè)繪效率有了很大提高，不用到現(xiàn)場(chǎng)，內(nèi)業(yè)就能完成橫斷面的采集，但是還不能進(jìn)行斷面圖的批量生產(chǎn)，需要作業(yè)人員對(duì)斷面數(shù)據(jù)一個(gè)一個(gè)地采集，對(duì)于植被覆蓋較多的地區(qū)，很難滿足精度要求。

(3)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)

首先對(duì)激光點(diǎn)云進(jìn)行精細(xì)分類，獲得高精度的數(shù)字地面模型，利用數(shù)模批量切繪線路上任意點(diǎn)的橫斷面，測(cè)繪橫斷面圖的效率有了很大提高。激光具有一定的穿透力，對(duì)于植被覆蓋較密的一般地區(qū)，也能獲取精度較高的數(shù)模，對(duì)于植被非常密集的地區(qū)，激光雷達(dá)也無(wú)能為力。

3　在鐵路橫斷面測(cè)繪中的應(yīng)用

3.1　結(jié)合影像進(jìn)行激光點(diǎn)云分類

機(jī)載激光雷達(dá)獲取的數(shù)據(jù)主要是激光點(diǎn)云，但是大多數(shù)雷達(dá)設(shè)備都配備了數(shù)碼相機(jī)，能同時(shí)獲取影像數(shù)據(jù)，可用于激光點(diǎn)云的輔助分類。

實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目中，由于工期緊張、有效航飛天數(shù)極少等原因，有時(shí)會(huì)只獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)；生產(chǎn)中也存在作業(yè)人員主觀上認(rèn)為測(cè)區(qū)植被較少，地形簡(jiǎn)單，分類時(shí)忽略了對(duì)影像的利用。在進(jìn)行激光點(diǎn)云分類時(shí)應(yīng)盡量結(jié)合影像進(jìn)行分類，在沒(méi)有影像數(shù)據(jù)時(shí)可以考慮利用同時(shí)期的衛(wèi)星影像、地形圖等資料輔助分類，否則點(diǎn)云分類成果的精度將會(huì)降低甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤。

雖然激光點(diǎn)具有很強(qiáng)的植被穿透力，但是像水稻田、麥田等這樣密集的低矮植被，激光點(diǎn)很難穿透，由于植被不高(0.5 m左右)，如果不結(jié)合影像，很容易將植被上的點(diǎn)誤認(rèn)為是地面點(diǎn)，致使數(shù)模精度不高，導(dǎo)致斷面形狀錯(cuò)誤。常用的雷達(dá)設(shè)備所發(fā)射的激光點(diǎn)在遇到水面時(shí)基本上都被吸收，既使有個(gè)別激光點(diǎn)也具有不確定性。實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到一些水渠、魚塘等水域，由于水面覆蓋物較多，致使有較多的激光點(diǎn)，分類時(shí)也會(huì)誤認(rèn)為地面，導(dǎo)致斷面錯(cuò)誤(水中斷面應(yīng)該現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè))。如果結(jié)合影像進(jìn)行分類，能很容易區(qū)分出水域，去除水面點(diǎn)，并能有效剔除低矮密集的植被高。

3.2　陡坎影響斷面精度

一般來(lái)說(shuō)，激光點(diǎn)云的密度越大，就越能準(zhǔn)確反映地表的真實(shí)形態(tài)，成圖精度就會(huì)越高。在實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)綜合考慮精度和效益，選擇適宜的激光點(diǎn)密度，不會(huì)無(wú)限地加大點(diǎn)云密度。這樣在地形破碎地區(qū)很容易出現(xiàn)缺少特征點(diǎn)現(xiàn)象，斷面線經(jīng)過(guò)的坎上或坎下經(jīng)常會(huì)少點(diǎn)，由地面點(diǎn)構(gòu)建TIN時(shí)局部地形出現(xiàn)失真，從而導(dǎo)致橫斷面的形狀與實(shí)際差別較大，影響鐵路設(shè)計(jì)。要想解決這個(gè)問(wèn)題必須把所缺少的點(diǎn)補(bǔ)上，最好的方式就是添加特征線，將特征線與地面的激光點(diǎn)一起構(gòu)TIN，然后再進(jìn)行橫斷面切繪，將會(huì)大幅提高斷面精度。特征線采集的方法有如下幾種：

①將激光點(diǎn)云疊合正射影像圖，充分結(jié)合影像信息和激光點(diǎn)云高程信息判斷并畫出特征線。

②利用攝影測(cè)量工作站，根據(jù)影像的外方位元素，建立立體像對(duì)，在立體狀態(tài)下采集所需的特征線。

③外業(yè)中線測(cè)量時(shí)可附帶著對(duì)沿線缺少的特征點(diǎn)線進(jìn)行采集。

不加特征線構(gòu)TIN的情形如圖1所示，加入特征線構(gòu)TIN的情形如圖2所示。

圖1　不加特征線構(gòu)TIN

圖2加入特征線構(gòu)TIN

3.3　內(nèi)外業(yè)結(jié)合的既有鐵路橫斷面測(cè)繪

在實(shí)際生產(chǎn)中，常用的激光點(diǎn)獲取密度還不能準(zhǔn)確反應(yīng)出既有鐵路碴腳、碴肩、軌頂?shù)燃?xì)小變化，目前對(duì)于既有鐵路橫斷面測(cè)量或新建鐵路斷面線經(jīng)過(guò)既有鐵路的情況下，都是采用外業(yè)實(shí)測(cè)橫斷面。為了既能滿足斷面精度又能充分利用已獲取的雷達(dá)數(shù)據(jù)，從而提高橫斷面測(cè)繪的效率，可以采用內(nèi)外業(yè)相結(jié)合的方式進(jìn)行。首先利用雷達(dá)點(diǎn)進(jìn)行斷面線的切繪，然后對(duì)雷達(dá)點(diǎn)無(wú)法正確反應(yīng)的部分?jǐn)嗝婢€進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)改正(如圖3所示)。

圖3　內(nèi)外業(yè)結(jié)合的橫斷面

3.4　橫斷面屬性標(biāo)注

圖4　未標(biāo)屬性和標(biāo)注屬性的橫斷面

在進(jìn)行橫斷面測(cè)繪的過(guò)程中，不僅要測(cè)出斷面線的形狀，還要標(biāo)注出斷面線上某些特征點(diǎn)的屬性，比如路邊、圍墻、房邊等，這些屬性可更好地輔助鐵路設(shè)計(jì)。無(wú)論是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)還是用航測(cè)方法采集橫斷面數(shù)據(jù)，都是逐點(diǎn)采集，人工干預(yù)較多，在采集過(guò)程中很容易進(jìn)行屬性信息的添加，而目前利用雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行橫斷面切繪，自動(dòng)化程度雖然更高，但是斷面屬性數(shù)據(jù)的自動(dòng)提取還很難實(shí)現(xiàn)。如果能將激光雷達(dá)獲取的原始激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)(DSM)、分類后地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)(DEM)和影像光譜信息充分結(jié)合，通過(guò)某種算法，在自動(dòng)生成橫斷面數(shù)據(jù)的同時(shí)自動(dòng)提取屬性信息，就可以解決屬性數(shù)據(jù)難以自動(dòng)獲取的困境。目前比較容易實(shí)現(xiàn)的方式是從既有地形圖中提取測(cè)繪橫斷面范圍內(nèi)的道路、圍墻、房屋等矢量數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有既有數(shù)據(jù)，也可以立體采集甚至直接從正射影像圖中畫出這些矢量數(shù)據(jù)，分層存放，在橫斷面批量自動(dòng)提取軟件中增加斷面線與矢量數(shù)據(jù)的相交判斷，根據(jù)不同圖層自動(dòng)添加相應(yīng)的屬性，從而實(shí)現(xiàn)斷面線上屬性數(shù)據(jù)的自動(dòng)標(biāo)注(如圖4所示)。

3.5　加強(qiáng)中樁檢核

在利用雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行鐵路橫斷面切繪的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到外業(yè)打線的中樁高程與雷達(dá)高程相差較大的現(xiàn)象，根據(jù)以往的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，多數(shù)是外業(yè)高程測(cè)量錯(cuò)誤，有時(shí)也存在雷達(dá)缺點(diǎn)或數(shù)據(jù)處理錯(cuò)誤。目前鐵路定測(cè)放線基本都采用GPS-RTK技術(shù)，RTK受信號(hào)和星歷影響較大，在地形復(fù)雜、遮擋物較多的地區(qū)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤點(diǎn)，所以要加強(qiáng)外業(yè)實(shí)測(cè)中樁高程與雷達(dá)高程的比對(duì)工作。對(duì)于高程差值較大的中樁點(diǎn)，應(yīng)從內(nèi)外業(yè)兩個(gè)方面查找原因，及時(shí)解決，避免將錯(cuò)誤帶入后序工作。定測(cè)工作期間應(yīng)充分利用雷達(dá)數(shù)據(jù)，將中線測(cè)量、放孔、道路改移等測(cè)量成果與雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以起到復(fù)核檢查作用，大大降低外業(yè)測(cè)量的錯(cuò)誤率。

4　結(jié)束語(yǔ)

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在鐵路勘測(cè)中的應(yīng)用，大幅提高了鐵路勘測(cè)效率，縮短了勘測(cè)周期，革新了鐵路勘測(cè)流程。在實(shí)際生產(chǎn)中需要對(duì)以上幾個(gè)方面高度重視，保障成果質(zhì)量。盡管雷達(dá)技術(shù)在橫斷面測(cè)繪方面優(yōu)勢(shì)明顯，但是在激光點(diǎn)云的自動(dòng)化分類、斷面屬性的自動(dòng)化提取、既有鐵路的斷面測(cè)繪等方面還需要進(jìn)一步深入研究，橫斷面測(cè)繪的效率和自動(dòng)化程度還有很大的提升空間。

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