朱 磊 趙 菲 何 俊

(1.山東省國土測繪院，山東 濟(jì)南 250102； 2.山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，山東 濟(jì)南 250014)

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·測量·

機(jī)載LiDAR測量技術(shù)在濰萊高鐵勘測中的應(yīng)用

朱 磊1趙 菲2何 俊1

(1.山東省國土測繪院，山東 濟(jì)南 250102； 2.山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，山東 濟(jì)南 250014)

以濰萊高鐵勘測項(xiàng)目為例，對采用機(jī)載LiDAR技術(shù)獲取鐵路走廊帶勘測數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究，介紹了利用LiDAR數(shù)據(jù)繪制帶狀地形圖與斷面圖的技術(shù)，通過與航空攝影測量和常規(guī)測量技術(shù)進(jìn)行對比分析，得出了有意義的結(jié)論，為今后同類工程提供參考。

機(jī)載LiDAR，高鐵，點(diǎn)云數(shù)據(jù)，軌道線

0 引言

測繪是鐵路建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，它貫穿整個(gè)鐵路建設(shè)過程，是工程順利完工的必要保證。勘測設(shè)計(jì)階段是測繪工作比較集中的時(shí)期，分為初測和定測兩個(gè)不同的工序，其中，初測中的地形圖測繪和定測中的斷面測量工作量較大，以往采用全野外測量，外業(yè)工作量大，工作持續(xù)時(shí)間長。隨著我國鐵路建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，如何快速、準(zhǔn)確地獲取鐵路線路走廊帶的勘測數(shù)據(jù)已經(jīng)成為鐵路建設(shè)者必須面臨的技術(shù)難題。

機(jī)載LiDAR作為一門新興的測量技術(shù)，集激光測距技術(shù)、全球定位技術(shù)、慣性測量技術(shù)和光譜成像技術(shù)于一身，可搭載于固定翼、直升機(jī)等多種航空飛行平臺，快速獲取精確的地面高程數(shù)據(jù)和高清晰影像數(shù)據(jù)，用于繪制帶狀地形圖和生成斷面圖，服務(wù)于道路勘測設(shè)計(jì)。

本文以濰萊高鐵勘測項(xiàng)目為例，對采用機(jī)載LiDAR技術(shù)獲取鐵路走廊帶勘測數(shù)據(jù)以及利用LiDAR數(shù)據(jù)繪制帶狀地形圖與斷面圖技術(shù)進(jìn)行了研究，通過與航空攝影測量和常規(guī)測量技術(shù)進(jìn)行對比分析，得出有益結(jié)論。

1 LiDAR數(shù)據(jù)獲取與處理

1.1 項(xiàng)目背景

濰萊高鐵西起濟(jì)青高鐵濰坊北站，經(jīng)昌邑、平度，接入青榮城際鐵路萊西北站，是山東省“三橫”快速鐵路網(wǎng)“中部通道”的重要組成部分?？睖y區(qū)域呈帶狀分布，東西長約123 km，南北寬度為2 km～5 km。測區(qū)西部地形為濰北平原，平均海拔高度為10 m左右，東部屬膠東丘陵，地勢起伏在150 m以下，地勢較為平坦。

1.2 技術(shù)路線

首先采用固定翼飛機(jī)搭載機(jī)載LiDAR系統(tǒng)對線路走廊帶進(jìn)行航空掃描，獲取地面點(diǎn)云與影像數(shù)據(jù)；然后對獲取的POS數(shù)據(jù)基于地面基站數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，生成包含坐標(biāo)與姿態(tài)信息的軌跡線文件；最后，采用LMS軟件對激光測距文件、軌跡線文件和檢校參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合解算，生成預(yù)處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)。影像外方位元素則由曝光時(shí)間文件內(nèi)插軌跡線文件生成。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含地面高程信息，精度較立體測圖高，密度大，DLG地貌圖層中的高程點(diǎn)可直接從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取，等高線由點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建三角網(wǎng)自動生成。地形圖采用立測法或DOM矢量化疊加高程點(diǎn)生成，斷面圖采用點(diǎn)云自動裁切生成，技術(shù)路線圖如圖1所示。

1.3 航線設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)獲取

航攝系統(tǒng)為用加拿大Optech公司生產(chǎn)的Orion H300型機(jī)載LiDAR，集成CCD為8 000萬像素的CS10000型框幅式相機(jī)，航攝平臺采用運(yùn)-12型通用運(yùn)輸機(jī)，主要航攝參數(shù)見表1。

表1 主要航攝參數(shù)表

參數(shù)數(shù)值飛行高度1500m飛行速度240km/h點(diǎn)云密度2．15點(diǎn)/m2點(diǎn)云間距0．68×0．68mGSD0．16m

根據(jù)勘測范圍形狀特點(diǎn)，航線東西方向敷設(shè)，共計(jì)18條航線，測線總長度為691 km，飛行時(shí)長為4.5 h。航攝范圍、航線與地面基站(SDCORS)分布如圖2所示。

1.4 軌跡線解算

POS系統(tǒng)采用Applanix公司POS AVTMAP50(OEM)，220通道GNSS系統(tǒng)，IMU記錄頻率為200 Hz，定位精度為0.05 m～0.30 m，側(cè)滾角和俯仰角不超過0.005 deg，航偏角不大于0.008 deg。軌跡線解算采用隨機(jī)軟件POSPac MMS6.2，單基站緊密耦合算法，地面基站為SDCORS系統(tǒng)PIND(平度)站點(diǎn)，其數(shù)據(jù)采樣率為1 s，距離航線最遠(yuǎn)端68 km，能夠滿足POS差分解算需求。經(jīng)卡爾曼濾波估算，軌跡線平面位置中誤差為2.3 cm，高程中誤差為3.4 cm。

1.5 點(diǎn)云預(yù)處理

激光測距文件聯(lián)合軌跡線文件和檢校參數(shù)，采用LMS軟件進(jìn)行點(diǎn)云坐標(biāo)解算，通過重疊航帶間的同名面進(jìn)行航帶匹配運(yùn)算，獲得條帶間精確匹配的預(yù)處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1.6 高程轉(zhuǎn)換

點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理基于WGS84坐標(biāo)系，高程為大地高，而鐵路勘測設(shè)計(jì)采用85高程系統(tǒng)，須將點(diǎn)云高程轉(zhuǎn)換至正常高。大地高和正常高之間存在如下轉(zhuǎn)換關(guān)系：

h=H-ζ。

山東省測繪基準(zhǔn)體系優(yōu)化升級工程完成的山東省似大地水準(zhǔn)面模型，分辨率為2.5′×2.5′，外符合精度為1.8 cm，完整覆蓋勘測區(qū)域，用于將點(diǎn)云高程由大地高轉(zhuǎn)換至正常高。高程轉(zhuǎn)換完成后，采用RTK采集地面點(diǎn)檢核，點(diǎn)云高程中誤差為10.6 cm。

2 基于LiDAR數(shù)據(jù)制作1∶2 000地形圖

機(jī)載LiDAR點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)可以快速生成高精度數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字正射影像圖(DOM)，滿足高速鐵路三維設(shè)計(jì)需求。但初測階段，仍須繪制帶狀地形圖，用于鐵路工程紙上定線和初步設(shè)計(jì)。

機(jī)載LiDAR同步獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)，可用于繪制大比例尺數(shù)字線劃圖，常用方法有兩種，立體測圖法和點(diǎn)云輔助DOM矢量化法。立測法是指對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行空三加密，然后根據(jù)立體像對進(jìn)行立體測圖。點(diǎn)云輔助DOM矢量化法流程是采用影像數(shù)據(jù)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速生成DOM，基于DOM進(jìn)行居民地、道路、水系、管線等地物要素矢量化，高程、等高線等地貌要素則采用點(diǎn)云生成。二者相比，后者工作量較小，對軟硬件要求低，濰萊高鐵項(xiàng)目采用點(diǎn)云輔助DOM矢量化法制作帶狀地形圖。

在TerraSolid或Arcgis等軟件中采用地面高程點(diǎn)構(gòu)TIN，生成地面模型，自動提取等高線，經(jīng)人工編輯修飾，可與立測的等高線很好吻合，精度能滿足鐵路勘測設(shè)計(jì)的需要。

高程點(diǎn)提取采用自動提取加人工干預(yù)方法。壩頂、十字路口等特征點(diǎn)高程采用人工提取，其他區(qū)域設(shè)計(jì)軟件自動提取，高程點(diǎn)分布均勻，精度較高。

居民地、道路、水系、管線等地物要素對鐵路方案設(shè)計(jì)有重大影響，必須準(zhǔn)確繪出。一般情況下居民地、道路、水系等地物在DOM上都有清晰的輪廓，容易判識出來。管線中的地下輸油、汽、水、電等管線須野外調(diào)繪后方可參照調(diào)繪位置進(jìn)行描繪；地面上的電力和通訊線路在DOM上位置容易判讀，但是要依據(jù)外業(yè)調(diào)繪確定電線桿之間的連接關(guān)系。當(dāng)然，由于LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)對在電力線和通訊線上形成反射，在DSM影像上可以看清楚，也可以通過一地的算法進(jìn)行矢量提取。

3 使用機(jī)載LiDAR技術(shù)開展線路定測

定測的主要任務(wù)是把初步設(shè)計(jì)中選定的中線測設(shè)到地面上去，然后沿測設(shè)線路進(jìn)行縱斷面和橫斷面測量，以提供更詳細(xì)的地形資料供施工設(shè)計(jì)使用。根據(jù)規(guī)范要求，線路曲線每隔20 m，直線每隔50 m需要測繪一個(gè)橫斷面，橫斷面數(shù)量多，工作量大。斷面主要作用是計(jì)算工程數(shù)量，斷面測量精度直接影響工程量計(jì)算的準(zhǔn)確性。斷面測量常用方法有航空攝影測量法和全野外測量法，前者內(nèi)業(yè)立測工作量大，平原地區(qū)高程精度難以滿足斷面測量精度要求，必須采取全野外高程控制點(diǎn)和大量實(shí)測的高程散點(diǎn)相結(jié)合，大大增加了外業(yè)人員的工作量。若采用全野外測量，斷面數(shù)據(jù)靠人工野外實(shí)測，勞動強(qiáng)度大、效率低，在危險(xiǎn)地區(qū)會對測量人員和儀器設(shè)備安全造成威脅。

機(jī)載LiDAR測量技術(shù)直接獲得地面高程點(diǎn)三維坐標(biāo)，高程精度高、點(diǎn)云密度大，可以提供高精度的DEM，采集斷面較容易，精度也高，而且容易實(shí)現(xiàn)自動化。對于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)建立的數(shù)字地面模型，根據(jù)已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的線路位置和設(shè)計(jì)要求，通過軟件可以很容易的獲取所需要橫縱斷面測量數(shù)據(jù)，這樣可以節(jié)省大量的時(shí)間和人員，提高工作效率。

4 結(jié)語

采用機(jī)載LiDAR技術(shù)開展鐵路勘測，具有航飛周期短，控制點(diǎn)測量大幅減少、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理自動化程度高，點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度高，橫斷面可批量生產(chǎn)等優(yōu)勢。激光雷達(dá)技術(shù)采用主動激光測量，較常規(guī)攝影測量受陰影和太陽高度角影響小，對植被和霧霾具有一定的穿透性，相較于航空攝影方法對天氣條件要求稍低，適航天氣更多，有效縮短作業(yè)時(shí)間。

機(jī)載LiDAR勘測技術(shù)與全野外數(shù)字化測圖技術(shù)相比具有工作效率高，內(nèi)外業(yè)勞動強(qiáng)度低，數(shù)字化產(chǎn)品多樣及屬性信息豐富等優(yōu)點(diǎn)，尤其在河流、山谷等危險(xiǎn)勘測環(huán)境，由于機(jī)載LiDAR測量的非接觸性，大大保障了勘測人員的人身與財(cái)產(chǎn)安全。作為一種先進(jìn)、快速、準(zhǔn)確的測量技術(shù)，機(jī)載LiDAR測量可廣泛應(yīng)用于鐵路勘測領(lǐng)域。

[1] 張小紅.機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)理論與方法[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2007：25-48.

[2] 謝春喜.機(jī)載Lidar點(diǎn)云精度檢測及誤差控制措施[J].鐵道勘察,2016(1):19-23.

[3] 朱雪峰.基于機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)的鐵路勘測方法[J].測繪通報(bào),2015(12):125-126.

[4] 武永斌.機(jī)載LiDAR鐵路測繪關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[J].測繪通報(bào),2015(9):64-67.

[5] 王麗英.機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)誤差處理理論與方法[M].北京：測繪出版社,2013:116-119.

On application of onboard LiDAR measurement technique in high-speed Weifang-Laixi railway survey

Zhu Lei1Zhao Fei2He Jun1

(1.ShandongLandSurveyingandMappingInstitute,Jinan250102,China;2.ShandongGeologicalEnvironmentMonitoringStation,Jinan250014,China)

Taking Weifang-Laixi high-speed railway survey as the example, the paper researches the corridor zone of the railway with the onboard LiDAR technique, introduces the technique to map the topographic and section with LiDAR data, undertakes the comparative analysis of the aerial photography measurement and regular measurement, and achieves some beneficial conclusion, so as to provide some reference for similar projects.

onboard LiDAR, high-speed railway, point cloud data, railway

2017-04-13

朱 磊(1982- )，男，注冊測繪師

1009-6825(2017)18-0195-02

P258

A