王文慶

(中鐵上海設計院集團有限公司, 上海 200040)

0 引言

橫斷面、1∶1 000工點地形圖是鐵路線路工程設計的重要基礎資料,橫斷面與工點地形圖質量將直接影響線路工程質量。線路的橫斷面、地形圖資料的準確性對于便于設計人員快速確定線路最優(yōu)位置,減少投資,提高線路方案的可行性、安全性以及穩(wěn)定性有著至關重要的作用。因此在鐵路勘察中線路橫斷面、地形圖資料獲取方法的探索以及優(yōu)化其成果質量是工程設計人員追求的目標。

目前,在鐵路線路勘察中橫斷面以及地形圖的獲取技術主要為全站儀測量、全球定位系統—實時動態(tài)載波相位差分技術(global positioning system-real time kinematic,GPS-RTK)、航空攝影測量技術和高分辨率衛(wèi)星遙感技術等。傳統的基于全站儀、GPS-RTK技術是目前線路工程勘察設計中橫斷面及地形圖測量的主要方法,但是此類方法需要大量的人工現場作業(yè),具有勞動密集型強,效率低等缺點,尤其是在山區(qū)等地形復雜的地區(qū),人員的安全保障性無法得到保障。航空攝影測量技術和高分辨率衛(wèi)星遙感技術在近些年有較好的發(fā)展,在大比例尺地形圖測量的應用廣泛,主要應用于城鎮(zhèn)等植被稀疏的地區(qū),精度高,生產效率高,但是該類方法在高植被覆蓋的山區(qū)，精度較低,且受天氣影響較大,同時數據采集的難度以及數據處理難度較高。LiDAR技術具有受天氣影響小、成本低且數據處理生產的周期短、精度高等特點,尤其是隨著無人機的發(fā)展,基于無人機平臺的LiDAR技術具有作業(yè)靈活、人工少、成本低且可以適應復雜的地形條件,在各類的工程應用中具有廣闊的前景。

在各類線路工程勘察設計中，線路橫斷面以及地形圖成果的質量是其應用于工程保證工程質量的關鍵因素,不同的學者對于LiDAR技術應用于橫斷面的獲取[1-2]以及地形圖資料的獲取方法[3-4]進行了相關研究。杜藝等人[5]在一種基于LiDAR點云的河道縱橫斷面獲取方法中，通過點云處理獲取點云斷面點并與實測斷面數據進行對比分析,基于點LiDAR點云的斷面獲取方法精度相當,提高了效率。鄭俊等人[6]在三維激光掃描儀在道路工程中的應用中,通過采用點云處理技術生成了道路圖并與實測精度進行對比分析,滿足生產需要。馮茂林[7]將機載LiDAR應用到鐵路勘測山林地區(qū)橫斷面的生產應用中,通過分析機載 LiDAR 點云生產的橫斷面與人工測量的橫斷面，得出在山勢陡峭區(qū)域，利用機載 LiDAR 點云數據生產的橫斷面比人工測量得更加完整且精度相當。汪仁銀等人[8]在地形測繪中的應用研究中使用三維激光掃描儀,得出在山地丘陵區(qū)、城市地形測圖等領域，三維激光掃描儀都具有一定的優(yōu)勢和弊端。徐喬等人[9]在復雜山區(qū)高速公路橫斷面測量方法中，利用三維激光掃描儀對裸土、植被稀少區(qū)域以及茂密區(qū)，采用不同的處理方法來獲取橫斷面數據,并得出獲取的橫斷面數據可以滿足山區(qū)定測及施工圖設計精度要求。

本文對無人機LiDAR獲取的橫斷面以及地形圖成果,通過與人工測量獲取的成果進行對比分析,橫斷面采用兩種成果的高程較差的均值與中誤差作為評價指標,通過對地面不同類別植被,不同偏距處的高差較差的均值和中誤差進行統計分析,地形圖通過在實驗區(qū)中布設的檢核點以及房屋角點,點云中獲取的坐標成果數據與人工測量獲取的坐標成果數據較差的均值和中誤差作為評價指標進行分析。從對比結果可知,無人機LiDAR點云獲取的橫斷面與地形圖成果資料精度與人工測量的成果精度相當,滿足山區(qū)鐵路勘察的需求。

1 點云橫斷面及地形圖資料生成

1.1 數據采集

本研究將某山區(qū)鐵路勘察中，線路某段隧道進出口處200 m×400 m范圍內作為橫斷面試驗區(qū),該試驗區(qū)山勢陡峭,高差120 m,植被茂盛,鐵路勘測作業(yè)十分困難;選擇0.5 km2農村地區(qū)作為1∶1 000工地地形圖試驗區(qū)。在實驗區(qū)內，采用無人機搭載LiDAR的方法獲取實驗數據,掃描系統通過千尋系統將實時定位無人機的絕對位置信息,最終獲取到絕對坐標系下的掃描數據。

LiDAR點云數據采集平臺采用SZT-R250無人機載移動測量系統,掃描測程為3～330 m,掃描速度100 000點/s,掃描視場角為360°,在50～100 m的距離范圍內，距離測量精度為5 ～10 cm。橫斷面和地形圖外業(yè)數據采集和內業(yè)處理共用時約為3 d。

為了驗證基于無人機平臺的LiDAR技術獲取的線路橫斷面以及地形圖數據質量,同時采用了傳統的GPS-RTK技術在該試驗區(qū)內進行橫斷面測量以及地形圖數據采集,共用時約為20 d。

1.2 線路橫斷面生成

線路橫斷面的生成方法將直接影響生成橫斷面的質量。本實驗首先采用點云濾波算法[10]將點云中的地面點數據與非地面點進行分類,采用點云處理的方法來獲取線路的橫斷面,并結合點云分類方法[11-14]獲取橫斷面點屬性，最終完成線路橫斷面的生產如圖1所示。

圖1 基于點云生成橫斷面流程

在本實驗中，由于點云數據的離散性,在線路特定里程處的橫斷面上的偏距處可能并沒有點,因此通過采用反向距離加權的方法進行內插生成。橫斷面的點屬性通過點云分類后的屬性來確定,首先將點云數據中的非地面點數據采用點云分類的算法將點云進行分類,點云分類后,橫斷面點通過其位置以及分類后的不同類點云數據的位置來判斷橫斷面點屬于的類別來確定橫斷面點的屬性。

1.3 地形圖生成

1∶1 000地形圖成果在線路工程建設的選線、初步設計以及施工設計等階段都有應用?；邳c云數據的地形圖生成，主要是通過點云濾波處理后的地面點與非地面點數據，采用點云處理算法與人工交互的方式生成地形圖,流程如圖2所示。

圖2 基于點云繪制地形圖流程

在地形圖的繪制中,一般由地物平面以及地面高程數據等組成,通過獲取的點云數據濾波處理來獲取點云的地面點數據和非地面點數據,分類處理兩種數據后，通過分類處理的方法將獲取的地物平面圖與生成的地面等高線以及高程點圖數據合并并處理,完成地形圖的繪制。

2 點云橫斷面及地形圖數據質量分析

橫斷面上各個點的高程精度是橫斷面質量的重要因素,地形圖中的平面位置以及高程數據是影響其質量的關鍵因素,其決定了在工程設計中的實用性,在本實驗中橫斷面采用橫斷面高程與人工測量斷面高程的較差均值和中誤差,地形圖采用測區(qū)內檢核點與房屋角點的空間坐標與人工測量的坐標參數的較差均值和中誤差來作為分析和評價其成果質量的指標。

在本實驗區(qū)域獲取的點云數據按照上述過程生成橫斷面以及地形圖數據后并與該實驗區(qū)內人工測量的成果進行對比分析,從來而評價其成果的質量。

2.1 線路橫斷面數據精度分析

實驗中對不同屬性的斷面點進行統計分析以及橫斷面偏距的分布區(qū)域進行了數據對比分析如表1和圖3所示。

表1 不同屬性斷面點精度統計

圖3 線位不同偏距處橫斷面點高程精度統計

由表1統計分析可知,在實驗區(qū)中植被覆蓋率越低的區(qū)域其精度越高,在樹林區(qū)域中兩種測量方式的偏差最大。由無人機點云數據橫斷面與人工測量橫斷面高差均值和高差中誤差統計分析可得,不同屬性的斷面區(qū)域與人工獲取的橫斷面精度相比,其道路平坦區(qū)域較差較小,茂林遮擋的區(qū)域較差較大,其植被覆蓋地面越高,精度越差,不同偏距處二者的高差中誤差相當,偏距對橫斷面的生成質量影響較小。

2.2 線路地形圖精度分析

通過對比人工測量的檢核點坐標數據和試驗區(qū)內房屋角點坐標數據進行統計分析,采用在實驗區(qū)內放置球形棱鏡作為檢核點,由于點云點數據的離散型,球形棱鏡通過表面的點云數據采用隨機采樣一致性算法(random sample consensus, RANSAC)算法[15-16]進行擬合來獲取檢核點的坐標，房屋角點采用阿爾法-形狀(Alpha-shape)算法[17]獲取房屋屋頂邊界線,邊界線的交點作為屋頂的角點坐標,統計結果如表2所示。

表2 不同檢核點精度統計

由表2中統計結果可知,在實驗區(qū)內房屋角點和布設的檢核點與人工測量的坐標之間的平面和高程的差值較差較小,因此在地形圖測量上,由無人機LiDAR點云數據獲取的地形圖成果與人工獲取的成果之間精度相當,可以用于地形圖的生產。

3 結束語

由無人機LiDAR點云生成的線路橫斷面和地形圖質量可以滿足線路設計以及相關工程需求,其高效率以及避免人員安全性方面等優(yōu)點,使其在山區(qū)線路勘察設計中有著廣闊的應用前景。本實驗中通過對無人機LiDAR數據獲取的橫斷面和人工常規(guī)測量的橫斷面以及地形檢核點對比分析,可以得出以下結論：

(1)無人機LiDAR點云數據獲取的橫斷面質量與人工測量精度相比,不同屬性的斷面區(qū)域與人工獲取的橫斷面精度相比,其道路平坦區(qū)域較差較小,茂林遮擋的區(qū)域較差較大,其植被覆蓋地面越高,精度越差,不同偏距處兩者的高差中誤差相當,偏距對橫斷面的生成質量影響較小。

(2)無人機LiDAR點云數據生成的地形圖數據成果精度與人工測量的成果在平面和高程上精度相當。

無人機LiDAR技術精度可以滿足山區(qū)鐵路勘察設計的需要,且可大幅提升生產效率,降低外業(yè)勘測安全風險,在工程應用中具有很好的前景。