李平蒼

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

目前，鐵路勘察項(xiàng)目的航空攝影多采用機(jī)載激光雷達(dá)掃描儀或大幅面數(shù)碼航攝儀，但該兩類航攝儀對(duì)搭載的飛行平臺(tái)要求較高(一般為“運(yùn)5 ”、“運(yùn)12”、塞斯納208等大型運(yùn)輸機(jī))，航空攝影作業(yè)時(shí)，受空域和天氣影響較大，并且只能在專用機(jī)場(chǎng)起降。一般鐵路項(xiàng)目從空域申請(qǐng)到航飛作業(yè)完成需要兩個(gè)月左右的時(shí)間，航飛作業(yè)周期較長(zhǎng)。對(duì)于一些小型鐵路項(xiàng)目，航飛批文辦理周期過(guò)長(zhǎng)成為制約項(xiàng)目按期完成的關(guān)鍵因素。有必要針對(duì)其勘測(cè)周期短、航飛工作量小的特點(diǎn)，研究一套快速獲取航飛數(shù)據(jù)的方案，滿足小型鐵路項(xiàng)目勘測(cè)周期短的要求。另外，既有鐵路測(cè)繪多為上線作業(yè)，工作效率較低，安全風(fēng)險(xiǎn)較大，且需獲得鐵路管理部門的批準(zhǔn)，給既有鐵路測(cè)繪工作帶來(lái)很大困難。因此，輕小型激光雷達(dá)在既有鐵路測(cè)繪領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

近幾年出現(xiàn)的輕小型激光雷達(dá)掃描儀具有重量輕、體形小，可以搭載于三角翼、小型固定翼飛機(jī)甚至無(wú)人機(jī)上，無(wú)需專用機(jī)場(chǎng)，起降靈活，飛行高度低，受天氣和空域影響小，可飛行天數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)，可低空飛行，獲取高精度、足夠密度的激光點(diǎn)云，適合短小鐵路項(xiàng)目工期短的特點(diǎn)。

輕小型激光雷達(dá)在電力行業(yè)有過(guò)一些應(yīng)用的案例，主要用于地形圖測(cè)繪、電力線巡檢等方面，對(duì)于精度的要求不是很高，平面和高程精度一般為20～30 cm。既有鐵路測(cè)繪對(duì)精度要求較高，激光雷達(dá)以往的作業(yè)模式無(wú)法滿足精度要求，如何將激光點(diǎn)云精度提高到5 cm以內(nèi)還沒(méi)有成功的應(yīng)用案例。以下通過(guò)對(duì)輕小型激光雷達(dá)技術(shù)在鐵路勘測(cè)項(xiàng)目不同階段的應(yīng)用試驗(yàn)，研究其技術(shù)作業(yè)流程和精度控制方案。

1 輕小型激光雷達(dá)系統(tǒng)的構(gòu)成與特點(diǎn)

輕小型激光雷達(dá)系統(tǒng)由激光掃描儀、GNSS/IMU慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(POS系統(tǒng))、數(shù)碼相機(jī)、系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)組件等組成。激光掃描儀通過(guò)發(fā)射激光獲取地面三維點(diǎn)云坐標(biāo)信息；POS系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)記錄設(shè)備在空中的準(zhǔn)確位置姿態(tài)，數(shù)碼相機(jī)可以獲取地面的影像信息。

輕小型激光雷達(dá)系統(tǒng)體型小、重量輕(重量從幾公斤到二十公斤不等)。對(duì)搭載飛行器要求低(可以搭載于動(dòng)力三角翼、小型固定翼飛機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)等小型飛行器)，操作靈活方便，適合于低空小范圍的項(xiàng)目作業(yè)(如圖1所示)。

圖1 輕小型激光雷達(dá)系統(tǒng)

2 輕小型激光雷達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)分析

2.1 使用方便

相較于大型機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，輕小型激光雷達(dá)系統(tǒng)體形小、重量輕，搭載于小型飛行器上就可以完成數(shù)據(jù)獲取，執(zhí)行任務(wù)時(shí)不需要專門機(jī)場(chǎng)，起降靈活，轉(zhuǎn)場(chǎng)方便，受機(jī)場(chǎng)、航線影響小。

2.2 空域申請(qǐng)簡(jiǎn)單

傳統(tǒng)機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備執(zhí)行航飛任務(wù)時(shí)需要搭載于大型運(yùn)輸機(jī)上，其航飛高度一般在600 m以上，空域?qū)徟枰?5～30 d。而輕小型激光雷達(dá)航飛高度一般都在500 m以下，對(duì)航線影響小，空域?qū)徟话銉H需2～3 d。

2.3 有效航飛天數(shù)多

搭載小型激光雷達(dá)的小型飛行器飛行高度較低，受天氣影響較小，可以在陰天及能見(jiàn)度較高的霧霾天氣下飛行并獲取滿足項(xiàng)目要求的數(shù)據(jù)，甚至可以在多云的天氣下進(jìn)行云下飛行?？傮w來(lái)說(shuō)，與大型航攝設(shè)備相比，可開展航飛作業(yè)的有效天數(shù)多，便于在較短的時(shí)間內(nèi)完成航飛作業(yè)。

3 輕小型激光雷達(dá)在鐵路勘測(cè)中的適用性分析

3.1 適合項(xiàng)目補(bǔ)飛

鐵路勘察項(xiàng)目一般會(huì)在初測(cè)前利用大幅面數(shù)碼航攝儀進(jìn)行大范圍的航空攝影，航飛寬度一般為線路兩側(cè)各3 km，主要是完成鐵路沿線1∶10 000比例地形圖和1∶2 000比例地形圖，可滿足鐵路項(xiàng)目可行性研究的需求。隨著方案的穩(wěn)定，在項(xiàng)目定測(cè)時(shí)，再組織一次機(jī)載激光雷達(dá)航飛，航飛寬度一般為線路兩側(cè)各500 m，主要進(jìn)行鐵路定測(cè)時(shí)橫斷面、工點(diǎn)地形和部分專項(xiàng)測(cè)繪工作，滿足鐵路初步設(shè)計(jì)和BIM應(yīng)用的需要。

無(wú)論是初測(cè)還是定測(cè)階段，隨著現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的深入和方案的優(yōu)化，方案局部調(diào)整出航帶的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，多發(fā)生在中檢前后。此時(shí)臨近項(xiàng)目驗(yàn)收，時(shí)間非常緊張。從時(shí)間和費(fèi)用上考慮，都不宜再次組織大飛機(jī)進(jìn)場(chǎng)補(bǔ)飛。而人工測(cè)量投入大、效率低，無(wú)法滿足工期需要。輕小型激光雷達(dá)操作簡(jiǎn)便、攜帶方便，批文辦理周期短，能夠快速獲取數(shù)據(jù)，非常適合項(xiàng)目補(bǔ)飛工作。

3.2 適合短小項(xiàng)目航飛

在鐵路勘察項(xiàng)目中，經(jīng)常會(huì)遇到一些十幾公里，幾十公里長(zhǎng)的專用線、聯(lián)絡(luò)線等短小鐵路項(xiàng)目。該類項(xiàng)目初定測(cè)工期短，大飛機(jī)航飛無(wú)法滿足項(xiàng)目的工期要求；另外，由于航飛面積小，測(cè)線少，調(diào)機(jī)和協(xié)調(diào)費(fèi)用將成為整個(gè)航飛項(xiàng)目的主要費(fèi)用，造成航飛單價(jià)過(guò)高。

輕小型激光雷達(dá)批文申請(qǐng)簡(jiǎn)單，無(wú)調(diào)機(jī)費(fèi)用，航飛操作靈活，非常適合短小項(xiàng)目的航飛工作，不僅能節(jié)省費(fèi)用，還能大幅縮短航飛周期。

3.3 解決既有鐵路上線難問(wèn)題

測(cè)繪人員在既有鐵路線上進(jìn)行相關(guān)的測(cè)量工作，需要經(jīng)過(guò)審批方可上線，還需要按要求配備大量的防護(hù)人員，高速鐵路上線開展測(cè)量工作的時(shí)間只能是列車停運(yùn)的天窗時(shí)間(1：00～4：00)，作業(yè)時(shí)間非常短。利用無(wú)人機(jī)搭載輕小型激光雷達(dá)低空飛行，獲取足夠密的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將大部分既有鐵路上線測(cè)量工作由外業(yè)轉(zhuǎn)為內(nèi)業(yè)完成，不僅提高了工作效率，還大幅降低了上線測(cè)量的安全風(fēng)險(xiǎn)。

4 輕小型激光雷達(dá)在鐵路項(xiàng)目中的應(yīng)用

4.1 北方某鐵路初測(cè)項(xiàng)目

該鐵路處于平原地區(qū)，全長(zhǎng)568 km。2016年初，利用大幅面數(shù)碼航攝儀DMC II 230進(jìn)行了全線航空攝影(影像地面分辨率優(yōu)于0.2 m)，完成了全線的1∶10 000和1∶2 000比例地形圖測(cè)繪。由于方案調(diào)整，有兩處共計(jì)70 km線路出了既有航帶。對(duì)于70 km的補(bǔ)飛工作量，如果采用大飛機(jī)搭載DMC II 230數(shù)碼航攝儀進(jìn)行補(bǔ)飛，不僅費(fèi)用昂貴，而且時(shí)間很難保證。故采用小型的固定翼飛機(jī)搭載RIEGL VUX-1小型激光雷達(dá)進(jìn)行補(bǔ)飛，航飛高度約為350 m(由于項(xiàng)目緊急，在陰天情況下進(jìn)行了航飛作業(yè))。獲得了高精度的數(shù)字高程模型(DEM)；利用攝影測(cè)量軟件制作了鐵路沿線數(shù)字正射影像圖(DOM)。利用DEM、DOM完成了1∶2 000比例地形圖，保證了鐵路初測(cè)工作的順利開展。

4.2 南方某鐵路定測(cè)

該鐵路位于南方山區(qū)，全長(zhǎng)76 km，測(cè)區(qū)地形復(fù)雜，植被茂密，給鐵路定測(cè)工作帶來(lái)較大困難。采用動(dòng)力三角翼搭載HawKScan HS-1200小型激光雷達(dá)進(jìn)行航飛作業(yè)，航飛高度約為450 m，獲取了測(cè)區(qū)的激光點(diǎn)云和影像。本項(xiàng)目共設(shè)計(jì)86條航線(總長(zhǎng)682 km)，一周時(shí)間內(nèi)，完成了航飛作業(yè)。利用航飛數(shù)據(jù)對(duì)既有的1∶2 000比例地形圖進(jìn)行了修測(cè)，完成了全線定測(cè)橫斷面和工點(diǎn)地形的測(cè)繪，影像和激光點(diǎn)云如圖2所示。

圖2 影像與點(diǎn)云對(duì)照

測(cè)區(qū)屬于高山地區(qū)且植被茂密，為檢核雷達(dá)數(shù)據(jù)精度，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)了大量高程點(diǎn)，對(duì)激光點(diǎn)云的精度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表1和圖3所示。

表1 激光點(diǎn)高程精度統(tǒng)計(jì)

圖3 差值分布

對(duì)激光點(diǎn)云、影像及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，差值大于1.0 m的點(diǎn)位均在植被非常茂密的地方(植被茂密致使打在地面上的激光點(diǎn)較少，數(shù)模精度低)；差值在0.5～1.0 m的點(diǎn)位多在植被茂密區(qū)或陡坎缺點(diǎn)處；差值在0.5～0.3 m的點(diǎn)位多位于陡坎處。

4.3 某鐵路樞紐既有線測(cè)繪

為研究某樞紐鐵路線引入的問(wèn)題，需對(duì)樞紐內(nèi)長(zhǎng)20 km的既有鐵路線進(jìn)行平面測(cè)繪、中平測(cè)量、橫斷面測(cè)繪等工作。由于上線申請(qǐng)一直未獲批，無(wú)法上線開展既有線測(cè)繪工作。經(jīng)過(guò)充分研究，采用八旋翼無(wú)人機(jī)搭載LiAir Pro小型激光雷達(dá)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行了高密度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取。相對(duì)航高控制點(diǎn)在50～100 m，激光點(diǎn)云密度不低于240點(diǎn)/m2。考慮鐵路運(yùn)營(yíng)安全，航線布設(shè)于鐵路線兩側(cè)，距離鐵路外軌距離不少于20 m，以避免無(wú)人機(jī)掉在鐵路線上。獲取的鐵路沿線密集的激光點(diǎn)云如圖4和圖5所示。

圖4 激光點(diǎn)云(俯視)

圖5 激光點(diǎn)云截面

為了提高激光雷達(dá)點(diǎn)的平面和高程精度，航飛時(shí)，地面基站不少于兩個(gè)，無(wú)人機(jī)離其中一個(gè)基站的距離不超過(guò)10 km。同時(shí)，在測(cè)區(qū)內(nèi)沿著鐵路線方向，在鐵路兩側(cè)每2 km各布設(shè)一對(duì)“米”字形支架和一對(duì)“九宮格”地面標(biāo)志?！懊住弊中沃Ъ転榧す饫走_(dá)平面檢測(cè)裝置，需架設(shè)于GPS控制點(diǎn)上，其目的是通過(guò)該裝置精確提取出目標(biāo)點(diǎn)的中心位置，作為激光點(diǎn)云平面改正的控制點(diǎn)；在平坦地面上布設(shè)的“九宮格”地面標(biāo)志，需要采用不低于四等水準(zhǔn)測(cè)量方式測(cè)出每個(gè)“九宮格”地面標(biāo)志點(diǎn)的高程，通過(guò)計(jì)算“九宮格”水準(zhǔn)面和激光點(diǎn)高程面差值達(dá)到改正激光點(diǎn)云高程誤差的目的。通過(guò)以上的改正，可以大幅提高激光點(diǎn)的平面和高程精度(如圖6、圖7所示)。

圖6 “米”字形支架

圖7 九宮格標(biāo)志

利用高精度的激光點(diǎn)云提取出軌頂中心位置，擬合出鐵路中心三維線。線路上任意一點(diǎn)的三維坐標(biāo)點(diǎn)位中誤差可以控制在5 cm以內(nèi)，可以完成平面測(cè)繪、橫斷面測(cè)量和部分中平測(cè)量工作(中平測(cè)量誤差略超出規(guī)范要求，還不能完全采用該方法進(jìn)行中平測(cè)量)，減少上線測(cè)量工作量70%以上，提高了工作效率。激光點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)如圖8、圖9所示。

圖8 平面精度折線

圖9 高程精度折線

5 結(jié)論

輕小型激光雷達(dá)可以方便地搭載于三角翼、無(wú)人機(jī)等小型飛行器上，無(wú)需專用機(jī)場(chǎng)，起降更靈活，空域申請(qǐng)周期可以縮短80%以上，受空域和天氣影響較小，能夠快速開展航飛作業(yè)，適合鐵路項(xiàng)目初測(cè)階段1∶10 000和1∶2 000比例地形圖測(cè)繪，定測(cè)階段橫斷面、工點(diǎn)地形和專項(xiàng)測(cè)繪等工作。利用無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)獲取鐵路沿線高密度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)誤差改正，可以滿足既有鐵路平面測(cè)繪、斷面測(cè)量以及部分中平測(cè)量等工作，大幅減少上線測(cè)量時(shí)間，降低了既有鐵路上線難帶來(lái)的影響。