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(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢　430063)

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機(jī)載Lidar數(shù)據(jù)在鐵路斷面測(cè)繪中的應(yīng)用研究

祝燕

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430063)

The Research of Technology on Cross-Section Measurement in Railway with Lidar System

ZHU Yan

摘要對(duì)基于機(jī)載Lidar數(shù)據(jù)獲取鐵路斷面產(chǎn)品的方法進(jìn)行研究，并統(tǒng)計(jì)分析不同地形地貌下斷面獲取的精度。

關(guān)鍵詞機(jī)載Lidar斷面精度分析

1概述

機(jī)載Lidar具有獲取數(shù)據(jù)快、對(duì)天氣條件要求低、數(shù)據(jù)精度高等優(yōu)勢(shì)，因此被越來(lái)越多地用于測(cè)繪生產(chǎn)中。采用武襄十城際鐵路項(xiàng)目中的一段數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)機(jī)載Lidar數(shù)據(jù)用于鐵路斷面測(cè)繪的作業(yè)方法及斷面成果進(jìn)行分析研究。

武襄十城際鐵路項(xiàng)目采用ALS60激光儀，在航飛高度1 500 m時(shí)，獲取的初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高程精度并未達(dá)到鐵路斷面精度要求，因此必須提高點(diǎn)云高程精度。經(jīng)過(guò)高程校正后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以滿(mǎn)足鐵路斷面數(shù)據(jù)產(chǎn)品的精度要求。激光點(diǎn)云生產(chǎn)鐵路斷面流程如圖1所示。

圖1　斷面生產(chǎn)流程

2作業(yè)方法

獲取原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，首先進(jìn)行點(diǎn)云檢校，包括航飛姿態(tài)角和距離誤差檢校，檢校后高程精度提高到0.4 m左右。

然后進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)變換，即將點(diǎn)云從原始坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為工程坐標(biāo)系。首先進(jìn)行平面坐標(biāo)變換，然后進(jìn)行高程擬合。該操作可采用Erdas軟件，Terrosild軟件處理。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)原始坐標(biāo)系為WGS84坐標(biāo)系111°-0-0(0),需要將其轉(zhuǎn)換為國(guó)家2000坐標(biāo)系112°30′0″(70)。

先進(jìn)行平面坐標(biāo)系變化，采用4參數(shù)轉(zhuǎn)換方法，步驟如下:

(1)采用Erdas軟件進(jìn)行重投影，將外控點(diǎn)從WGS84，111°-0-0轉(zhuǎn)換為WGS84，112°30′0″。

(2)采用terrosild軟件，利用WGS84，112°30′0″坐標(biāo)系和國(guó)家2000，112°30′0″(70 m)坐標(biāo)系下的外控點(diǎn)計(jì)算獲取四參數(shù)方程式。

然后利用terrasolid軟件，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)投影坐標(biāo)系由WGS84，111°-0-0變換為國(guó)家2000，112°30′0″(70)。

平面坐標(biāo)系變換完成后進(jìn)行高程擬合，即將橢球高轉(zhuǎn)換為正常高。采用terrasoild軟件操作，利用同名控制點(diǎn)的大地高和正常高獲取高程異常，從而完成點(diǎn)云高程擬合。

接著需要進(jìn)行點(diǎn)云高程校正。本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的航高為1500 m，平均高程精度為0.4 m。該精度無(wú)法達(dá)到斷面數(shù)據(jù)精度要求，因此必須進(jìn)行高程校正。

針對(duì)激光點(diǎn)云高程校正的需求布設(shè)了外控點(diǎn)，每5 km布設(shè)一對(duì)外控點(diǎn)。根據(jù)激光點(diǎn)云的特性，外控點(diǎn)的位置選取在平整的水泥地面。由于實(shí)驗(yàn)區(qū)域存在部分山地，有個(gè)別外控點(diǎn)選取在傾斜角度較小的平整土質(zhì)地面。在后期處理時(shí)，應(yīng)根據(jù)誤差值有選取的使用該類(lèi)外控點(diǎn)。

高程校正時(shí)， 每條航帶單獨(dú)處理。具體步驟如下：選取距離外控點(diǎn)最近激光點(diǎn)的高程，讀取每個(gè)外控點(diǎn)與激光點(diǎn)的高程差值。采用terrasolid軟件，根據(jù)高程差值的平均值對(duì)該航帶完成高程校正。

完成單航帶高程校正后，要注意航帶交接處相對(duì)誤差是否變大，如果變大，則需要重新對(duì)單航帶進(jìn)行調(diào)整。

高程校正后點(diǎn)云高程中誤差為0.2 m，其中植被茂密的山地高程精度最差，限差為0.35 m。

高程校正完成后，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的前期處理全部完成，接著應(yīng)進(jìn)行點(diǎn)云分類(lèi)，主要是為了獲取正確的地面點(diǎn)。點(diǎn)云分類(lèi)結(jié)果的準(zhǔn)確率將直接影響斷面成果的精度，因?yàn)樵摬襟E非常重要。為了獲取更為準(zhǔn)確的分類(lèi)結(jié)果，點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類(lèi)需要正射影像的輔助。

點(diǎn)云分類(lèi)完成后，就可以采用本單位自主研發(fā)的軟件獲取斷面數(shù)據(jù)。橫斷面成果如圖2所示。

圖2　基于點(diǎn)云獲取的橫斷面成果

對(duì)初始的橫斷面數(shù)據(jù)要檢查修改，主要是針對(duì)地形突變處。

為了查看斷面成果精度，實(shí)測(cè)了部分?jǐn)嗝纥c(diǎn)，精度對(duì)比如下：

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取DK157+280-DK211+275段數(shù)據(jù)。該段數(shù)據(jù)共167個(gè)點(diǎn)，地貌包括平地、密林，池塘、農(nóng)田，地形有平地、高山。將斷面點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，剔除4個(gè)落在池塘的點(diǎn)，誤差統(tǒng)計(jì)分析如圖3所示。

圖3　斷面點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì)柱狀圖(單位：m)

可以看到誤差在(-0.2～0.2 m)范圍內(nèi)的斷面點(diǎn)達(dá)到83%。

經(jīng)過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)激光點(diǎn)云精度受地形、植被覆蓋程度影響很大。根據(jù)不同地形對(duì)中樁點(diǎn)誤差再次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

平地誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1　平地誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

地形變化處統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2　地形變化處統(tǒng)計(jì)結(jié)果

植被稀疏處誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3　植被稀疏處統(tǒng)計(jì)結(jié)果

密林中誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表4　密林中統(tǒng)計(jì)結(jié)果

通過(guò)以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，激光點(diǎn)云在平地精度非常高，完全滿(mǎn)足斷面產(chǎn)品精度要求。但是在地形變化處，主要是指陡坎處精度很差。原因有兩個(gè)，由于激光點(diǎn)云密度不足，可能陡坎處無(wú)激光點(diǎn)。第二個(gè)原因是內(nèi)業(yè)判讀陡坎位置有偏差。為了提高陡坎處中樁精度，可以在飛行計(jì)劃時(shí)提高點(diǎn)云密度，也可以在立體像對(duì)中獲得陡坎位置和高程。

植被密度對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度影響也很大，植被越密，點(diǎn)云精度越差。所以在點(diǎn)云精分類(lèi)時(shí)，應(yīng)努力提高地面點(diǎn)濾波精度。

但值得一提的是，激光雷達(dá)在密林處能檢測(cè)出外業(yè)錯(cuò)誤，如圖4。外業(yè)測(cè)繪結(jié)果比實(shí)地高了1.4 m左右。這是由于在密林處，外業(yè)測(cè)量GPS和CORS信號(hào)不穩(wěn)定引起。而激光點(diǎn)云的穩(wěn)定性非常好，并且有較強(qiáng)的穿透性，能準(zhǔn)確獲取地面點(diǎn)。

圖4　密林處外業(yè)實(shí)測(cè)錯(cuò)誤

3結(jié)束語(yǔ)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看，機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)在鐵路斷面生產(chǎn)上可以采用。在植被覆蓋度低，地形平緩地區(qū)精度是非常高的，完全滿(mǎn)足斷面生產(chǎn)精度要求。而在植被茂密、地形突變的地區(qū)精度較差，但是通過(guò)提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度，或者提高點(diǎn)云分類(lèi)精度可以使斷面精度進(jìn)一步提高。點(diǎn)云數(shù)據(jù)在植被茂密、地形突變的地區(qū)還是有一定的局限性，部分區(qū)域仍然需要在立體像對(duì)中獲取斷面點(diǎn)，或者通過(guò)外業(yè)實(shí)測(cè)獲取斷面點(diǎn)。盡管如此，機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)仍然可以作為鐵路斷面生產(chǎn)的選擇。

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中圖分類(lèi)號(hào)：P225.2； U412.24

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7479(2016)01-0028-03

作者簡(jiǎn)介：祝燕(1985—)，女，2010年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地理信息工程專(zhuān)業(yè)，碩士，工程師。

收稿日期：2015-12-29