夏緒川

(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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基于地面激光雷達(dá)技術(shù)的鐵路工點(diǎn)地形圖測(cè)繪方法

夏緒川

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

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

關(guān)鍵詞地面激光雷達(dá)鐵路工點(diǎn)地形圖

在鐵路設(shè)計(jì)中，優(yōu)化線路方案、選擇橋型橋式、定位橋墩橋臺(tái)、地質(zhì)鉆孔布置及隧道進(jìn)出口位置勘測(cè)等工作都需要測(cè)繪工點(diǎn)處的1∶500工點(diǎn)圖。目前，鐵路1∶500工點(diǎn)地形圖通常采用GPS-RTK、全站儀等技術(shù)人工實(shí)地測(cè)繪完成，手段雖然成熟可靠，但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，特別是在險(xiǎn)、難勘測(cè)工程環(huán)境下，給測(cè)繪人員的安全和勘測(cè)質(zhì)量帶來(lái)較大隱患。

地面三維激光掃描技術(shù)通過(guò)內(nèi)業(yè)對(duì)三維點(diǎn)云進(jìn)行信息提取，可以生成高質(zhì)量的地形圖。該方法具有測(cè)量精度高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，與GPS-RTK、全站儀等技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。以Rigel VZ1000三維激光掃描儀為例，對(duì)基于地面激光掃描技術(shù)測(cè)繪鐵路1∶500工點(diǎn)地形圖的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)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(diǎn)是測(cè)程較長(zhǎng)，點(diǎn)位精度較高，并配備數(shù)碼相機(jī)，但掃描速度較慢，視場(chǎng)角較小，單站作業(yè)效率較低。而相位式激光掃描儀的特點(diǎn)是速度非常快，視場(chǎng)角較大，近似于全方位掃描，單站作業(yè)效率較高，但測(cè)程較短，點(diǎn)位精度較低。鐵路工點(diǎn)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(shí)時(shí)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(diǎn)布設(shè)

地面激光掃描儀直接獲取的是局部坐標(biāo)系坐標(biāo)，需要通過(guò)控制點(diǎn)將獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)變換到鐵路工程所在的測(cè)區(qū)坐標(biāo)系中。鐵路工程建設(shè)中，在工點(diǎn)圖測(cè)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(duì)點(diǎn))，掃描前，可以通過(guò)GPS-RTK和高程擬合技術(shù)對(duì)基礎(chǔ)控制網(wǎng)進(jìn)行加密，在工點(diǎn)附近建立局部控制網(wǎng)，用于后續(xù)坐標(biāo)變換。

(2)反射標(biāo)靶的布設(shè)與測(cè)量

Rigel VZ1000三維激光掃描儀通過(guò)反射標(biāo)靶進(jìn)行定向，掃描時(shí)一個(gè)工點(diǎn)須布設(shè)3個(gè)以上反射靶標(biāo)。反射靶標(biāo)的布設(shè)須充分考慮測(cè)區(qū)的地形地貌形態(tài)，盡可能使反射靶標(biāo)呈環(huán)形均勻布設(shè)，距離遠(yuǎn)近不一，高度不同，并避免所有靶標(biāo)在一個(gè)平面上。反射標(biāo)靶的測(cè)量可采用無(wú)合作目標(biāo)全站儀進(jìn)行，首先通過(guò)局部控制網(wǎng)對(duì)全站儀進(jìn)行定向，然后對(duì)反射靶標(biāo)進(jìn)行一一測(cè)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(diǎn)的實(shí)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(jì)算機(jī)連接好，打開(kāi)掃描儀和計(jì)算機(jī)，確定二者通信正常。

②在RiScan Pro軟件中建立測(cè)站，粗掃全景點(diǎn)云并拍攝全景影像。

③對(duì)布設(shè)的反射靶標(biāo)進(jìn)行精掃。

④根據(jù)工點(diǎn)的范圍，在粗掃的點(diǎn)云圖上圈定掃描范圍，開(kāi)始精掃。

⑤如果一站不足以掃描工點(diǎn)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(diǎn)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(duì)點(diǎn)云進(jìn)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(jìn)行，處理流程如下。

(1)配準(zhǔn)

①相對(duì)方式：該方式以某一掃描站的坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，其他各站的坐標(biāo)系統(tǒng)都轉(zhuǎn)換到該站的坐標(biāo)系統(tǒng)下，相對(duì)方式掃描時(shí)只需要在不同站之間共有3個(gè)以上同名標(biāo)靶即可，不需要測(cè)量標(biāo)靶的絕對(duì)坐標(biāo)，統(tǒng)一后的坐標(biāo)是在某一掃描站坐標(biāo)系統(tǒng)下的坐標(biāo)。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(duì)方式，它是一種將掃描儀和常規(guī)測(cè)量相結(jié)合的方式，每站的標(biāo)靶坐標(biāo)通過(guò)全站儀或其他儀器精確測(cè)量，直接獲得標(biāo)靶的絕對(duì)坐標(biāo)(如工程坐標(biāo)系中的坐標(biāo))。配準(zhǔn)時(shí)，各測(cè)站都直接轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的絕對(duì)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。在地形測(cè)繪當(dāng)中一般采用絕對(duì)方式配準(zhǔn)，也可以將兩者結(jié)合起來(lái)使用。

(2)紋理映射

紋理映射通過(guò)RiScan Pro軟件中的紋理映射功能實(shí)現(xiàn)。由固定在掃描儀上的數(shù)碼相機(jī)所采集高分辨率相片獲取紋理信息，并映射到點(diǎn)云上，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云賦色。為了實(shí)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(jī)內(nèi)參數(shù)文件并交互選擇3對(duì)以上的影像與點(diǎn)云的同名點(diǎn)。

2.2生成地形圖

(1)提取地物特征

在配準(zhǔn)好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中手工提取地物特征點(diǎn)、線，如房屋輪廓線、道路點(diǎn)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(diǎn)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(cè)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(duì)整個(gè)測(cè)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(shù)木植被及地物的存在會(huì)影響等高線的自動(dòng)生成，在生成等高線前需要將非地貌部分的點(diǎn)云數(shù)據(jù)剔除。剔除后得到的地貌數(shù)據(jù)對(duì)于地形測(cè)繪來(lái)講其點(diǎn)位太密，且分布不均勻。因此，一般將剔除非地貌因素后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)按地形測(cè)繪要求的密度進(jìn)行抽稀。最后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到大比例尺數(shù)字測(cè)圖軟件中，自動(dòng)生成等高線。

(3)編輯地形圖

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

3應(yīng)用實(shí)例

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

項(xiàng)目采用Rigel VZ1000三維激光掃描儀對(duì)隧道出口進(jìn)行掃描，通過(guò)GPS-RTK技術(shù)建立局部控制網(wǎng)，利用無(wú)合作目標(biāo)全站儀測(cè)量靶標(biāo)坐標(biāo)，半天即完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作，獲取了平均點(diǎn)間距為8 cm的彩色激光點(diǎn)云(如圖1所示)。

圖1　掃描得到的彩色激光點(diǎn)云

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理采用RiScan Pro軟件進(jìn)行，通過(guò)CASS軟件生成1∶500地形圖。根據(jù)測(cè)區(qū)的特點(diǎn)和周圍環(huán)境確定掃描站及標(biāo)靶，然后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、地物繪制、非地貌數(shù)據(jù)剔除、等高線自動(dòng)生成、地形圖編輯等，生成最終的工點(diǎn)地形圖，整個(gè)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)間為2 d(如圖2)。

圖2　基于地面激光點(diǎn)云生成的工點(diǎn)地形

采用全站儀實(shí)地采集5個(gè)地物特征點(diǎn)和20個(gè)地貌散點(diǎn)，工點(diǎn)地形圖的平面和高程中誤差如表2所示。

表2　工點(diǎn)地形圖精度統(tǒng)計(jì)

從表2中可以看出，該工點(diǎn)地形圖滿足《鐵路工程測(cè)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(cè)繪鐵路1∶500工點(diǎn)地形圖的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理方法。工程實(shí)踐應(yīng)用表明，本文方法在保證測(cè)量人員安全的情況下，可降低外業(yè)工作強(qiáng)度，提高工作效率，其成果滿足鐵路定測(cè)1∶500工點(diǎn)地形圖的精度要求。

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收稿日期：2016-03-08

文章編號(hào)：1672-7479(2016)03-0013-03

中圖分類號(hào)：P225；P231.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

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

XIA Xuchuan