冷紅慶

（中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055）

修建鐵路初期最重要的是勘察地形，根據(jù)地形確定鐵路的走向，勘察是修建鐵路重要的基礎(chǔ)[1]，所以提高勘察的準(zhǔn)確性、安全性和可靠性具有重要意義。在勘察時(shí)，對(duì)勘察地區(qū)用機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR）進(jìn)行數(shù)據(jù)收集[2-3]，機(jī)載LiDAR 是一項(xiàng)將激光測(cè)距、全球定位、慣性測(cè)量、頻譜成像技術(shù)相結(jié)合的新型測(cè)量技術(shù)，它可以應(yīng)用于飛機(jī)固定翼、直升機(jī)等多種航空飛行平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地表高度的準(zhǔn)確測(cè)量和高分辨率圖像的實(shí)時(shí)采集，從而實(shí)現(xiàn)條形地圖和剖面地圖的繪制。由于文蒙鐵路地屬滇東南巖溶山區(qū)，地形復(fù)雜，總體地勢(shì)西北高、東南低，山巒連綿起伏，河谷、溝壑縱橫交錯(cuò)等地形特征，采用人為測(cè)量的方式較為困難，且容易發(fā)生危險(xiǎn)；若采用無人機(jī)或遙感技術(shù)勘測(cè)，可能獲取的數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確，需要多項(xiàng)技術(shù)支持。因此根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)，提出采用有人機(jī)機(jī)載LiDAR 航空攝影獲取Li-DAR 數(shù)據(jù)點(diǎn)云的方法。

1 新建鐵路勘察方法

1.1 基于機(jī)載LiDAR 的新建鐵路點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

1.1.1 航線設(shè)計(jì)

航線設(shè)計(jì)需符合《機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范》和《地形圖航空攝影規(guī)范》，按照飛機(jī)的具體性能和飛機(jī)的實(shí)際性能，確定飛機(jī)的飛行高度和航拍區(qū)域。以新建文蒙線為航空攝影攝區(qū)，絕對(duì)航高為2 900 m，飛機(jī)型號(hào)和編號(hào)分別為R66 和B-70EL，搭載的LiDAR 航攝儀型號(hào)和航攝儀編號(hào)分別為Galaxy prime 及5060423，F(xiàn)OV（視場角）為55°，脈沖頻率和掃描頻率分為60 KHz 及60 Hz。

1.1.2 數(shù)據(jù)采集方案設(shè)置

新建鐵路軌道測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)的收集有飛行準(zhǔn)備、飛行過程和著陸后3 個(gè)階段。機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量前后，宜采用“∞”字型飛行方式進(jìn)行IMU 初始化。同向連續(xù)航飛時(shí)間超過15 min 時(shí)，應(yīng)重新進(jìn)行IMU 初始化。固定翼飛機(jī)的轉(zhuǎn)彎半徑不小于5 km，直升機(jī)的轉(zhuǎn)彎半徑不小于1 km。在起飛前，必須保證航攝設(shè)備安裝能正常使用，航攝設(shè)有充足的存儲(chǔ)容量；在啟動(dòng)激光雷達(dá)之后，需要等待有5 min，在此期間，利用慣性測(cè)量單元和衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)構(gòu)成的POS 系統(tǒng)，用衛(wèi)星進(jìn)行鎖定，改善數(shù)據(jù)的初始化。在進(jìn)入測(cè)點(diǎn)之前，必須先在500 m 處做一個(gè)“∞”字形的航向，激活陀螺儀；為了節(jié)約數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，在飛行、飛離測(cè)區(qū)和航向拐角的時(shí)候，都可以關(guān)掉激光數(shù)據(jù)記錄器。在降落之后，要先讓飛行器停下來5 min，然后才能關(guān)掉機(jī)載LiDAR。

1.2 新建鐵路點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于機(jī)載LiDAR 點(diǎn)云中包含了豐富的三維曲面數(shù)據(jù)，而這部分?jǐn)?shù)據(jù)是由大量的點(diǎn)位數(shù)據(jù)反映出來，造成了點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量巨大，數(shù)據(jù)處理難度高，不能直接抽取測(cè)區(qū)鐵路點(diǎn)云數(shù)據(jù)；在LiDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行預(yù)處理，把點(diǎn)云濾波地表和非地表的點(diǎn)云進(jìn)行分類，獲得較高精度的地面高程模型，并根據(jù)高度差異的特征將非地表點(diǎn)云中的鐵路點(diǎn)云進(jìn)行分割[4]。點(diǎn)云的三維信號(hào)在進(jìn)行預(yù)處理后仍然是龐雜、冗余的存儲(chǔ)空間較大。在構(gòu)造環(huán)境中，一般采用點(diǎn)云簇聚類來進(jìn)行單一的環(huán)境要素的識(shí)別，從而造成了數(shù)據(jù)的稀疏性；由于無結(jié)構(gòu)性的環(huán)境要素是一個(gè)非常復(fù)雜和變化的過程，僅靠聚類識(shí)別的方法不能很好地描述整個(gè)鐵路環(huán)境。為了解決這個(gè)問題，對(duì)IMU/GNSS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理[5]，分離GNSS 觀測(cè)數(shù)據(jù)、IMU 記錄數(shù)據(jù)和eventmark 數(shù)據(jù)，并填寫IMU/GNSS輔助航攝飛行數(shù)據(jù)檢查結(jié)果分析表。在上述處理后，將IMU/GNSS 數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理，解算出每張像片的6 號(hào)位方位元素，轉(zhuǎn)換至成果坐標(biāo)系，并填寫手薄。采用差分GNSS 定位，IMU/GNSS 數(shù)據(jù)解算的平面、高程和速度偏差不應(yīng)大于表1 的規(guī)定。

表1 IMU/GNSS 數(shù)據(jù)聯(lián)合解算偏差限值

在符合表1 的規(guī)定后，對(duì)獲取的機(jī)載LiDAR 進(jìn)行檢驗(yàn)：對(duì)檢校場進(jìn)行空中三角測(cè)量，計(jì)算偏心角及線元素偏移值。偏心角及線元素偏移值的解算中誤差不應(yīng)大于表2 的規(guī)定。

表2 偏心角及線元素偏移值中誤差限值

根據(jù)上述過程，對(duì)比預(yù)處理后重建的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和原點(diǎn)云數(shù)據(jù)的變化量，判定新建鐵路點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理的計(jì)算速度，判斷檢驗(yàn)是否合格。檢驗(yàn)結(jié)束實(shí)現(xiàn)新建鐵路點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理，獲取最佳新建鐵路點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1.3 點(diǎn)云圖像鐵路區(qū)域提取

將新建鐵路點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果，通過投影變換生成新建鐵路的點(diǎn)云圖像，采用面向?qū)ο筇崛〖夹g(shù)，充分考慮新建鐵路的紋理、形狀、大小等空間屬性特征，通過點(diǎn)云圖像的分割以及分類，從中獲取新建鐵路區(qū)域，便于后續(xù)鐵路勘察工作順利開展。多比例尺的分割處理是以圖像的區(qū)域融合為基礎(chǔ)[6]，由任意一塊圖像像素進(jìn)行融合，直到生成圖像區(qū)域。其主要思路是：先從一個(gè)像元出發(fā)，將其與相鄰像元分開運(yùn)算，以減少最后的異質(zhì)性；上述循環(huán)產(chǎn)生的物體是基礎(chǔ)單位，然后依次和鄰近物體分開進(jìn)行運(yùn)算，直到用戶指定的尺度內(nèi)無法進(jìn)行對(duì)象的融合。圖像區(qū)域異質(zhì)性閾值用H 表示，光譜、形狀異質(zhì)性用Lcolor、Lshape表示，基于Lcolor、Lshape計(jì)算H，光譜和形狀信息權(quán)重分別用wcolor及wshape表示，H 的計(jì)算公式為

在新建鐵路圖像中，每類地物都有自己的特點(diǎn)，通過在函數(shù)中加入這些特性，形成一個(gè)新的法則，就能精確地劃分新建鐵路圖像[7]。針對(duì)軌道交通的特點(diǎn)，在進(jìn)行劃分時(shí)，首先要注意其空間特性，可以使用L/W的長度比率作為劃分規(guī)則，Length 和Width 分別表示分割圖像的長度及寬度，比率公式為

新建鐵路周圍的低矮植被，利用綠色植被指數(shù)Greenness 提取，G、R、B 分別表示航空影像的綠、紅、藍(lán)波段，Greenness 公式表示為

2 新建鐵路軌道勘察

2.1 機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備系統(tǒng)、飛行器的選擇

根據(jù)攝區(qū)的地形、時(shí)間等因素，選擇R66 飛行執(zhí)行飛行任務(wù)，飛機(jī)帶有自動(dòng)駕駛儀，能很好的控制飛行姿態(tài)，保障飛行質(zhì)量。機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備系統(tǒng)選擇自有設(shè)備GalaxyPrime 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，該設(shè)備掃描效率高并配備座駕，獲取數(shù)據(jù)姿態(tài)穩(wěn)定。

2.2 點(diǎn)云密度

機(jī)載激光雷達(dá)獲取的點(diǎn)云密度為≥9 點(diǎn)/m2，設(shè)計(jì)FOV 為43°，脈沖頻率為850 kHZ，掃描頻率為77 HZ。

2.3 航攝時(shí)間及太陽高度角的選擇

LIDAR 數(shù)據(jù)獲取飛行時(shí)段不受太陽高度角限制，全天24 小時(shí)內(nèi)均可飛行獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量宜同時(shí)進(jìn)行數(shù)字影像獲取，航攝時(shí)間應(yīng)根據(jù)攝區(qū)的太陽高度角和陰影倍數(shù)確定。

2.4 航攝分區(qū)

航攝分區(qū)劃分參照GB/T6962-2005 和“國家基礎(chǔ)航空攝影補(bǔ)充技術(shù)規(guī)定”中的相應(yīng)規(guī)定執(zhí)行，并且同時(shí)滿足：航攝分區(qū)包含多個(gè)完整的加密分區(qū)；航線敷設(shè)和劃分分區(qū)時(shí)考慮每條航線直線飛行時(shí)間一般不大于15 min 的要求?？紤]到繁忙空域和戰(zhàn)斗飛行管制的要求，為此，航攝分區(qū)測(cè)段接邊重疊應(yīng)不少于200 m，且選擇在平坦地區(qū)。

2.5 航高確定

本攝區(qū)擬使用GalaxyPrime 機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)，根據(jù)設(shè)備掃描角度及脈沖頻率，設(shè)計(jì)點(diǎn)云密度≥9 點(diǎn)/m2，攝區(qū)地形起伏，根據(jù)DEM 設(shè)計(jì)，確定絕對(duì)航高為2 900 m。

2.6 航線敷設(shè)

按照攝區(qū)范圍和攝區(qū)平均基準(zhǔn)面高程及攝區(qū)最高點(diǎn)高程進(jìn)行航線設(shè)計(jì)。根據(jù)攝區(qū)的基準(zhǔn)面高程，合理確定旁向重疊度。根據(jù)攝區(qū)形狀分布的特點(diǎn)，攝區(qū)航線采用按攝區(qū)走勢(shì)敷設(shè)的方法，測(cè)段接邊重疊應(yīng)不少于200 m，且宜選擇在平坦地區(qū)；采用DEM輔助航線設(shè)計(jì)[8]；每條航線的飛行時(shí)間不超過15min 以保證整個(gè)機(jī)載LIDAR 系統(tǒng)（GalaxyPrime）獲得最佳的采集數(shù)據(jù)。

2.7 工程概況

2.7.1 地理概況

文山市，位于云南省東南部，東西橫跨63 km，南北縱跨66 km，總面積2 977 km2。蒙自市東西最大橫距61.3 km，南北最大縱距62 km，總面積2 228 km2。東鄰文山市，主要地形為山區(qū)和壩區(qū)，其中山區(qū)面積占總面積的75.6%；壩區(qū)面積占總面積的24.4%，縣城海拔1 307 m。

2.7.2 攝區(qū)范圍

根據(jù)表3 參數(shù)設(shè)定和航攝分區(qū)結(jié)果，對(duì)新建鐵路進(jìn)行勘察，文蒙線路長度約130 km，面積約283 km2。至此，實(shí)現(xiàn)基于機(jī)載LiDAR 點(diǎn)云稀疏處理的新建鐵路勘察方法研究。

3 計(jì)算結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)區(qū)LiDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)運(yùn)用機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)獲取，采集時(shí)間2022 年4 月12 日。為準(zhǔn)確分辨不同區(qū)段的LiDAR 數(shù)據(jù)處理高程精度，獲取30 個(gè)點(diǎn)號(hào)高程數(shù)據(jù)，由此得到圖1 所示的折線圖。

圖1 LiDAR 數(shù)據(jù)處理高程精度折線圖

圖1 為檢校場測(cè)量出的高程與本文方法獲取的LiDAR 數(shù)據(jù)處理的高程折線圖。由圖像可知，本文方法獲取的高程折線圖與檢校場測(cè)量的高程折線圖幾乎完全重合，說明采用本文方法獲取的數(shù)據(jù)檢測(cè)結(jié)果較為精準(zhǔn)。為準(zhǔn)確分辨不同區(qū)段的LiDAR 數(shù)據(jù)處理高程精度，獲取30 個(gè)點(diǎn)號(hào)多來源外業(yè)點(diǎn)高程，由此得到圖2 所示的折線圖。

圖2 多來源外業(yè)點(diǎn)高程折線圖

圖2 為已知高程和本文方法高程折線圖對(duì)比。根據(jù)圖像可以清晰看出，采用本文方法處理的點(diǎn)云高程數(shù)據(jù)與已知高程數(shù)據(jù)高度一致，折線圖基本重合。說明本文方法通過對(duì)航線的規(guī)劃設(shè)計(jì)，以及有人機(jī)獲取的新建鐵路圖像分割后，可以精準(zhǔn)地獲取鐵路軌道，不被干擾因素影響，保持軌道的完整性。

4 結(jié)論

基于機(jī)載LiDAR 點(diǎn)云預(yù)處理的新建鐵路勘察方法，通過鐵路機(jī)載LiDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、點(diǎn)云圖像分割等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)新建鐵路的勘察。實(shí)驗(yàn)結(jié)果有效保證了提取鐵路的完整性，獲取的高程數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度較高，為新建鐵路勘察提供參考。