趙勝強

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

1 概述

鐵路勘測是鐵路設計的基礎，貫穿了鐵路規(guī)劃、可研、初步設計到施工圖設計等各個階段。高速鐵路呈帶狀分布，線路里程長、跨度大，往往需要跨越山區(qū)、密林等地形復雜區(qū)域，這給高速鐵路勘測帶來了巨大困難[1]。傳統(tǒng)勘測以皮尺、全站儀、水準儀和GNSS等設備進行測量，作業(yè)效率、安全系數(shù)較低[2]。如何突破傳統(tǒng)勘測技術瓶頸，快速準確獲取地表信息，提高外業(yè)工作效率顯得尤為重要。

激光雷達(簡稱LiDAR)是集成激光測距、定位、慣性導航和攝影測量功能于一體的高新測繪技術[3]。相較于傳統(tǒng)測繪手段，具有全天時、作業(yè)效率高、植被“穿透”能力強等優(yōu)勢[4]，尤其適用于高山峽谷等地形復雜地區(qū)數(shù)據(jù)采集，近年來備受業(yè)界關注。

關于激光雷達技術，在多個領域已有較多應用，賀成成等以喀喇昆侖公路為例，探討了機載LiDAR技術在公路建設中的應用效果[5]；丘丹等結合工程數(shù)據(jù)將人力勘測與無人機LiDAR系統(tǒng)勘測進行對比，說明在條件復雜的架空線路改造中，兩種方式相結合可以制定出最優(yōu)施工方案[6]；牟春霖通過實驗證明，車載激光雷達技術獲得的測量結果能夠滿足實際生產(chǎn)的需求[7]；朱雪峰提出一種基于機載激光雷達獲取密集激光點云和高分辨率數(shù)碼影像的方法，可生產(chǎn)鐵路設計所需的3D數(shù)字產(chǎn)品(DLG、DOM、DEM)和線路縱、橫斷面[8]；聶虎嘯提出了一種點云消冗方法，可有效控制航帶接邊處點云密集程度[9]；葛玉輝將無人機傾斜攝影和無人機LiDAR技術相結合制作出的三維實景模型，其精度可達5 cm[10]；田方證明機載LiDAR獲取的點云密度和精度能滿足密林山區(qū)地形測繪要求[11]；程玉書等將機載LiDAR、“3S”技術和慣導技術相結合，高效完成了河南省重要成礦區(qū)帶1∶5 000地形圖測繪任務[12]；肖源淼等提出一種基于POS線投影的鐵路橫斷面輪廓及軌頂點提取算法[13]；蔡悅以黑虎山船閘作為試驗區(qū)域，認為機載LiDAR在山區(qū)獲取的點云密度和精度能滿足山區(qū)地形圖繪制的要求。

不難看出，雖然激光雷達技術在鐵路工程中已有較多應用，但大都只是針對某一方面進行討論?；诖爽F(xiàn)狀，以下試圖全面分析LiDAR技術在制作數(shù)字高程模型(簡稱DEM)、橫縱斷面、大比例地形圖測繪、通防掃描等數(shù)字化產(chǎn)品中的技術優(yōu)勢，為激光雷達技術在鐵路勘測中的推廣應用提供思路。

1 LiDAR技術在鐵路勘測中的應用

1.1 數(shù)字高程模型制作

數(shù)字高程模型可用來描述地表起伏形態(tài)的空間數(shù)據(jù)[15]。設計專業(yè)可基于數(shù)字高程模型開展線路方案設計比選、橋梁墩臺設計等。

一般情況下，可通過對既有地形圖數(shù)字化提取、公開數(shù)據(jù)源收集來獲取數(shù)字高程模型。但因其精度較低，只能滿足鐵路預可研和可研階段的需求。對于鐵路初步設計和定測階段，多采用機載LiDAR技術制作高精度的數(shù)字高程模型。對LiDAR點云數(shù)據(jù)進行檢校、高程擬合、濾波分類等處理后，將分離出的地面點用相關軟件進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化，即可根據(jù)項目需求得到不同分辨率的數(shù)字高程模型。在此基礎上，還可進一步批量生產(chǎn)粗模橫縱斷面(見圖1)，以提高鐵路定測初期線路方案的決策效率。

圖1 基于LiDAR數(shù)據(jù)生產(chǎn)的DEM及粗模橫縱斷面

1.2 橫縱斷面生產(chǎn)

橫斷面能反映垂直于線路方向的地形起伏情況，是路基、隧道、橋梁、站場等設計專業(yè)所需的基礎資料?？v斷面測量是將已批準的設計方案中線上各類點位測設到實地，是鐵路定測階段的主要勘測任務之一。

傳統(tǒng)橫(縱)斷面測量采用全站儀或GNSS接收機采集斷面上每個變坡點坐標，不僅耗時費力，一旦遇到陡崖等難以通行區(qū)域或GNSS信號被遮擋的密林山區(qū)，外業(yè)測量工作就無法開展。而機載LiDAR技術采用非接觸式作業(yè)手段，可以有效解決上述問題。

運用LiDAR技術生產(chǎn)橫縱斷面，首先需要對LiDAR獲取的點云數(shù)據(jù)進行濾波分類，利用濾波分離出的地面點構建不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)模型，進而基于TIN模型和斷面線生產(chǎn)橫縱斷面成果。如圖2、圖3所示，黃色點云表示地面點，白色點云表示其他地物點?？梢钥闯觯趯Ⅻc云數(shù)據(jù)可以準確提取橫、縱斷面線上的每個變坡點的位置和高程信息，參照正射影像后，還能對變坡點屬性進行標注，極大減少了外業(yè)工作量。

圖2 基于LiDAR數(shù)據(jù)生產(chǎn)的精細化橫斷面

圖3 基于LiDAR數(shù)據(jù)生產(chǎn)精細化縱斷面

1.3 大比例數(shù)字地形圖測繪

鐵路沿線重要復雜工點(隧道口等)需要大比例數(shù)字地形圖，為工程精細化設計提供數(shù)據(jù)基礎。

傳統(tǒng)方法測繪大比例數(shù)字地形圖，需要采用全站儀或GNSS RTK采集測區(qū)內(nèi)所有地物地貌特征點坐標，并現(xiàn)場繪制草圖，工作量大且易出錯。而基于LiDAR技術，只需對點云數(shù)據(jù)進行濾波分類，即可獲取測區(qū)內(nèi)所有地面點數(shù)據(jù)。之后，基于地面點自動生成等高線，加上立體采集的少量地物，對圖面進行適當整飾與編輯后，即可出圖(見圖4)。繪制1 km2的1∶500地形圖，傳統(tǒng)測繪方法需用時7 d以上，而采用LiDAR技術后，內(nèi)業(yè)工作用時僅需1 d。

圖4 基于LiDAR數(shù)據(jù)制作大比例數(shù)字地形

1.4 通防掃描

通防掃描即測量與鐵路相關的超高壓線路設施，包括跨越鐵路的電力線高程、跨越點鐵路兩側電力線鐵塔(桿)的塔高等，并將勘測成果描繪到1∶2 000平面圖上。

傳統(tǒng)通防掃描使用全站儀測量，作業(yè)方式復雜、效率低、危險系數(shù)高。采用LiDAR技術后，基于激光點云可快速、高效確定高壓電塔角點位置，高精度地測量鐵塔風車高度、跨線路處高壓線最低點距地面高程、垂高等信息(見圖5)，外業(yè)人員只需實地補充調(diào)查鐵塔編號等屬性。通防掃描是激光雷達技術在鐵路勘測中的一項重要應用。

圖5 基于LiDAR數(shù)據(jù)進行通防掃描

1.5 既有線測量

既有線測量是鐵路勘測中比較重要且復雜的工作，需要精確測出鐵路軌頂高程，并完成道岔、車站信號機、站臺、排水溝、接觸網(wǎng)等測量工作，精度要求較高。此時可采用移動背包式SLAM三維激光掃描系統(tǒng)，見圖6。相較于傳統(tǒng)全站儀測量手段，背包SLAM三維激光掃描系統(tǒng)大幅提高了采集數(shù)據(jù)的速度與全面性，可有效節(jié)省既有線上道時間。

在日常生活中，簽名是很常見的行為，如合同的簽署，訂單的確認，支票的簽發(fā)，回復文件，通常來說傳統(tǒng)的簽名都是手寫簽名。隨著網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，人們希望突破傳統(tǒng)簽名帶來的種種弊端，信息的發(fā)送者希望通過簽名來使信息的接受者確定信息的真實性，于此與此同時，當出現(xiàn)糾紛的時候，信息的接受者可以通過數(shù)字簽名來追蹤到信息的發(fā)送者來進行承擔相應的責任。可以說，在現(xiàn)代社會，數(shù)字簽名技術正在潛移默化影響我們的生活。

圖6 背包SLAM系統(tǒng)用于既有線測量

2 工程應用與分析

2.1 工程概況

長沙至贛州高速鐵路(簡稱“長贛高鐵”)位于湖南省東部和江西省西南部，是國家高速鐵路網(wǎng)“八縱八橫”之一廈渝通道的重要組成部分。正線全長429.48 km，所經(jīng)區(qū)域地形總體上呈現(xiàn)兩端低、中間高的形態(tài)，既有平原、丘陵等地貌，也有地勢高峻，重巒疊嶂的山脈。因其地勢復雜，加之項目定測階段工序多、時間緊、任務重，全外業(yè)作業(yè)模式難以滿足工期需求，故采用機載LiDAR作業(yè)模式。

2.2 激光點云數(shù)據(jù)可靠性評估

激光雷達技術獲取的點云數(shù)據(jù)是否可靠，是決定其能否被運用于鐵路工程項目的關鍵。以下從高程精度、平面精度及植被穿透力3個方面，將GNSS RTK野外實地采集的檢查點數(shù)據(jù)與激光點云數(shù)據(jù)進行對比，統(tǒng)計點云與野外實測成果的誤差，進而評估點云數(shù)據(jù)的可靠性。

(1)點云高程精度評估

在長贛高鐵全線，按“平均每公里3個檢查點(分別位于中樁、左偏300～500 m、右偏300～500 m處)、遇到橫跨高速公路等重要控制地物處適當加密”的原則，在測區(qū)范圍內(nèi)隨機采集了763個高程檢查點。將檢查點高程與點云高程逐一對比，精度統(tǒng)計見表1、圖7。

表1 點云高程精度統(tǒng)計 m

圖7 點云高程精度統(tǒng)計

經(jīng)統(tǒng)計，外業(yè)實測點的點云數(shù)據(jù)最大高程誤差為-0.263 m，平均誤差為-0.051 m，中誤差為0.082 m，滿足長贛高鐵實際應用精度要求(點云高程中誤差不大于0.25 m)。

(2)點云平面精度評估

表2 點云平面精度統(tǒng)計 m

(3)點云植被穿透力評估

長贛高鐵沿線多山區(qū)密林，為檢查點云的植被穿透情況，在測區(qū)內(nèi)選取了8處有代表性的密林區(qū)域，并在每個區(qū)域內(nèi)均勻采集50個密林檢查點(見圖8)，其精度統(tǒng)計見表3。經(jīng)計算，密林區(qū)域點云數(shù)據(jù)的最大高程誤差為0.392 m，平均誤差為0.002 m，中誤差為0.167 m，滿足高程精度要求。說明點云的植被穿透能力較強，在山區(qū)用激光點云技術代替人工外業(yè)實測的方法可行。

圖8 密林檢查點在實地和點云模型中的位置

表3 點云密林區(qū)域精度統(tǒng)計 m

2.3 激光雷達技術高效性評估

為驗證激光雷達技術的高效性，以中線測量為例，在平地、丘陵、山地處分別選取2段5 km長的線路中線，選派2組(每組1人)分別用GNSS RTK野外實測和點云內(nèi)業(yè)采集方法進行中線測量，并統(tǒng)計2組完成任務所用的時間。為使實驗更加嚴謹，圖9中“內(nèi)業(yè)采集”組耗時是綜合考慮了點云外業(yè)航飛及預處理耗時后的結果。

圖9 點云內(nèi)業(yè)采集與外業(yè)實測中線效率對比

由圖9可知，相較于外業(yè)人工實測，基于激光點云數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)測量中線效率平均提升1倍以上。且點云測量中線效率受地形影響較小，地勢越陡峭、地形越復雜，基于激光點云數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)采集中線的優(yōu)勢越明顯。由此可見，與傳統(tǒng)測量方法相比，激光雷達技術具有高效性。

3 結語

較為全面地探討了激光雷達技術在鐵路勘測中的應用，包括數(shù)字高程模型制作、橫縱斷面生產(chǎn)、大比例數(shù)字地形圖測繪、通防掃描和既有線測量等方面，并分析其技術優(yōu)勢。最后以長贛高鐵為例進行應用實驗，結果表明：(1)激光點云數(shù)據(jù)的平面和高程中誤差均小于0.1 m，能滿足實際項目應用需求；(2)采用激光點云數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)測量中線，相較于外業(yè)人工實測，效率平均提升1倍以上；(3)點云測量中線效率受地形影響較小，外業(yè)實測中線效率受地形影響較大，地勢越陡峭、地形越復雜，基于激光點云數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)采集中線的優(yōu)勢越明顯。