朱萬(wàn)里

（中鐵十五局集團(tuán)第三工程有限公司，四川成都 610000）

0 引言

目前我國(guó)鐵路建設(shè)得到了高速發(fā)展，施工單位開(kāi)工時(shí)要做原地面進(jìn)行復(fù)測(cè)、測(cè)算土方量，進(jìn)行大臨建設(shè)策劃等工作，原始作業(yè)方式大多通過(guò)采用GPS 接收機(jī)或者全站儀逐點(diǎn)逐面測(cè)量完成土方量測(cè)算及地形復(fù)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)踏勘選址完成大臨建設(shè)策劃。傳統(tǒng)測(cè)量工作中，在有植被覆蓋的山地或密集住宅區(qū)，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS 接收機(jī)易受到衛(wèi)星信號(hào)的影響難以固定，而全站儀測(cè)量極易受到物體遮擋進(jìn)而反復(fù)設(shè)站，導(dǎo)致地形復(fù)測(cè)、土方測(cè)算工作耗時(shí)耗力，效率低下，實(shí)地勘探選址多處區(qū)域人員無(wú)法到達(dá)，但是鐵路開(kāi)工時(shí)間緊，任務(wù)重，急需要一種新的測(cè)量方法完成以上工作，機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的快速發(fā)展為解決這一難題提供了新的思路。

1 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)

1.1 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的組成

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)主要由飛行平臺(tái)，3D 激光掃描儀（Scanner）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）、高分辨率的數(shù)碼相機(jī)及掃描控制裝置等組成[1]，是一種主動(dòng)遙感測(cè)量裝置，可以快速、精確獲取地面物體三維坐標(biāo)。激光掃描儀是整個(gè)系統(tǒng)的核心組成，主要用來(lái)測(cè)量目標(biāo)物之間的距離，GPS 主要是記錄整個(gè)系統(tǒng)任意時(shí)刻的坐標(biāo)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)記錄飛機(jī)平臺(tái)的姿態(tài)，數(shù)碼相機(jī)獲取目標(biāo)點(diǎn)的真色彩，為點(diǎn)云著色渲染。

1.2 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的原理與特點(diǎn)

1.2.1 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的原理

激光器主動(dòng)發(fā)射一束光脈沖，接收器準(zhǔn)確記錄光脈沖從發(fā)射到被反射回來(lái)的傳播時(shí)間，計(jì)算出發(fā)射器與目標(biāo)物體間的距離，結(jié)合GPS 記錄的系統(tǒng)坐標(biāo)、INS數(shù)據(jù)記錄飛行姿態(tài)等數(shù)據(jù)準(zhǔn)確計(jì)算出目標(biāo)物體的三維坐標(biāo)。

1.2.2 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的特點(diǎn)

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)有以下5 個(gè)特點(diǎn)：①主動(dòng)測(cè)量，不受光照的影響，能夠全天全天候作業(yè)。②無(wú)接觸測(cè)量，作業(yè)安全，可以完成人員無(wú)法到達(dá)、通行困難的地方的測(cè)量任務(wù)，保證人員安全。③高精度，多回波技術(shù)的發(fā)展使機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的精度達(dá)到厘米級(jí)。④穿透植被，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)射的激光脈沖信號(hào)對(duì)植被具有一定的穿透能力，通過(guò)點(diǎn)云分類(lèi)能直接獲取地表真實(shí)地形數(shù)據(jù)。⑤高效率，與傳統(tǒng)測(cè)量測(cè)量方法比，減少了工作量，節(jié)約了外業(yè)測(cè)量時(shí)間，提高了測(cè)量效率。

1.3 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的工作流程

機(jī)載三維激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的工作流程分為準(zhǔn)備階段，外業(yè)數(shù)據(jù)采集，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)應(yīng)用4 個(gè)階段。工作流程如圖1 所示。

圖1 工作流程

2 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)踐應(yīng)用

中鐵十五局成達(dá)萬(wàn)高鐵項(xiàng)目位于渠縣境內(nèi)，線路上地形起伏較大，地表多有植被覆蓋，全球定位系統(tǒng)GPS 接收機(jī)信號(hào)弱，多處區(qū)域人員通行困難，測(cè)量難度較大，利用傳統(tǒng)的測(cè)量方式復(fù)測(cè)土方量效率較低，且人員通行困難的地方危險(xiǎn)系數(shù)大，本次利用機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行地面數(shù)據(jù)采集，運(yùn)用Copre 2.0、Coprocess 2.0 完成數(shù)據(jù)處理，運(yùn)用成果數(shù)據(jù)完成原地面復(fù)測(cè)、線路土方量計(jì)算、拌和站及鋼筋廠選址工作。

2.1 準(zhǔn)備階段

確定測(cè)區(qū)范圍為DK145+400—K148+700 區(qū)間，申請(qǐng)空域，確定道路設(shè)計(jì)參數(shù)，國(guó)家大地坐標(biāo)系CGCS2000 坐標(biāo)系，投影帶中央子午線東經(jīng)106°54′，投影高程面240m，采用1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

2.2.1 外業(yè)準(zhǔn)備

外業(yè)設(shè)備采用華測(cè)AU20 激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)，進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)后分別進(jìn)行架設(shè)基站，航線規(guī)劃，設(shè)備調(diào)試等工作。使用變高飛行軟件Copilot 進(jìn)行航線規(guī)劃，仿地飛行200m 航高，航寬80m，飛行速度8m/s；在采集軟件中對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，掃描頻率為200 萬(wàn)點(diǎn)/s，點(diǎn)云掃描速度100r/s，點(diǎn)云旁向重疊率為50%等；基站采用華測(cè)GNSS 接收機(jī)作為基站，使用靜態(tài)測(cè)量模式。

2.2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

完成設(shè)備安裝及調(diào)試完畢后，開(kāi)始作業(yè)，無(wú)人機(jī)全自動(dòng)按照設(shè)定航線完成作業(yè)后返回設(shè)定的降落點(diǎn)，過(guò)程中人員只需要監(jiān)控飛機(jī)的飛行狀態(tài)，確保飛行安全，一旦遇到特殊狀況，立即進(jìn)行緊急返航，本次采集共計(jì)花費(fèi)40min。

2.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

2.3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)有GNSS 基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)、POS 采集數(shù)據(jù)、激光數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。使用Copre2.0 軟件完成基站數(shù)據(jù)處理、POS 數(shù)據(jù)解算及數(shù)據(jù)融合，得到WGS84 坐標(biāo)系下點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果，通過(guò)測(cè)區(qū)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)獲得2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系下的las 格式的原始點(diǎn)云（圖2），利用影像數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云著色渲染，得到具有RGB 顏色值的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[2]，讓點(diǎn)云數(shù)據(jù)以類(lèi)似于照片的形式呈現(xiàn)，更加形象、直觀易懂。

圖2 原始點(diǎn)云

2.3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪

點(diǎn)云數(shù)據(jù)受激光掃描時(shí)的姿態(tài)、環(huán)境等因素的影響，點(diǎn)云數(shù)據(jù)不可避免地出現(xiàn)一些噪點(diǎn)，噪點(diǎn)明顯高于地表目標(biāo)點(diǎn)、低于地面點(diǎn)，其存在會(huì)對(duì)其他點(diǎn)數(shù)據(jù)信息的查看和提取造成不良影響[3]，通過(guò)Coprocess 2.0 軟件去除因激光器的誤差、空氣中雜質(zhì)、飛鳥(niǎo)等產(chǎn)生的漂浮在空中的噪點(diǎn)。

2.3.3 點(diǎn)云分類(lèi)

鐵路施工中地形復(fù)測(cè)、土方測(cè)算、前期策劃大型臨建設(shè)施需要用到是地面點(diǎn)數(shù)據(jù)，而直接采集到的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果包含了植被、地面建筑物等大量數(shù)據(jù)信息，無(wú)法直接運(yùn)用到施工中去，因此需要利用點(diǎn)云分類(lèi)技術(shù)篩選出所需要的地面點(diǎn)信息，得到地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)（圖3），達(dá)到施工運(yùn)用的目的。Coprocess 2.0 軟件采用基于坡度的點(diǎn)云濾波算法，核心是通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)相鄰點(diǎn)之間的坡度來(lái)分離出地面點(diǎn)和地物點(diǎn)，算法前提是假設(shè)相鄰點(diǎn)之間的巨大高差是由地物引起的，而非地形突變，其中較高的點(diǎn)被視為非地面點(diǎn)[4]，設(shè)置坡度閾值，剔除植被，房屋等點(diǎn)云數(shù)據(jù)，獲取到精確的地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。對(duì)比原始點(diǎn)云圖像與分類(lèi)后的圖像可以明顯看出分類(lèi)后點(diǎn)云去除了植被及地面建筑物信息，只保留了地面點(diǎn)。

圖3 地面點(diǎn)云

2.3.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度校核

由于點(diǎn)云的位置精度主要依賴(lài)于GPS 測(cè)量系統(tǒng)的精度，而GPS 系統(tǒng)在測(cè)繪中獲取的位置精度是非常可靠的，在這里僅對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高程進(jìn)行校核，用GPS 接收機(jī)采取了硬質(zhì)地面、稀疏植被覆蓋地面、茂密植被覆蓋地面3 種地形下的數(shù)據(jù)，分別與機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云成果數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，每組采集80 個(gè)數(shù)據(jù)，精度統(tǒng)計(jì)分別如表1、表2、表3 所示。

表1 裸露地面點(diǎn)高程精度驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)表 單位：m

表2 稀疏植被覆蓋地面點(diǎn)高程精度驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)表 單位：m

表3 茂密植被覆蓋地面點(diǎn)高程精度驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)表 單位：m

通過(guò)分析精度驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)表數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，誤差較大的點(diǎn)多位于茂密植被覆蓋的地區(qū)，其他地區(qū)高程值與實(shí)測(cè)值基本一致，最大差值為15cm，平均差值小于5cm，滿足土方測(cè)算、地形復(fù)測(cè)、大型臨建選址工作要求。

2.4 成果應(yīng)用

2.4.1 在大臨建設(shè)選址中的應(yīng)用

為了更清晰直觀地看清地表物體信息，先用Coprocess 2.0 軟件打開(kāi)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入道路設(shè)計(jì)中心線DXF 格式文件，在點(diǎn)云中顯示出線路位置（圖4），便于沿線路立體查看地形信息，選擇地塊用于建設(shè)鋼筋廠、拌和站等大型臨建設(shè)施。通過(guò)查看在線路里程DK147+600—DK147+800 位置附近有一塊區(qū)域，地勢(shì)較高，不易積水，緊靠既有道路交通方便，是拌和站、鋼筋廠位置的理想選擇。選定區(qū)域后，在地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)構(gòu)建三角網(wǎng)，進(jìn)行挖填方計(jì)算，經(jīng)反復(fù)驗(yàn)證，確定當(dāng)平場(chǎng)高程為336m 時(shí)，區(qū)域內(nèi)挖填基本平衡，挖土石59321m3，填土石61320m3，整平后可用面積39.7 畝，可以同時(shí)滿足拌和站和鋼筋場(chǎng)的建設(shè)需要。此處是標(biāo)段最早施工的鋼筋場(chǎng)及拌和站，從外業(yè)開(kāi)始到選定拌和站、鋼筋廠位置一共用了3d，極大減少了現(xiàn)場(chǎng)勘探選址的時(shí)間，減少了勞動(dòng)強(qiáng)度，快速完成了大臨建設(shè)選址工作。

圖4 線路位置

2.4.2 在土方量測(cè)算中的應(yīng)用

用Coprocess 2.0 軟件將設(shè)計(jì)線路中線導(dǎo)入地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，將設(shè)計(jì)中線呈現(xiàn)在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，可以根據(jù)需求設(shè)定提取斷面點(diǎn)間距，橫斷面寬度，加密坡度值等參考值，本次設(shè)定點(diǎn)距離5m，橫斷面寬度60m，生成對(duì)應(yīng)樁號(hào)的地面橫斷面圖（圖5），結(jié)合設(shè)計(jì)斷面可直接計(jì)算土方量[5]。

圖5 地面橫斷面（單位：m）

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)比傳統(tǒng)測(cè)量，激光激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)具有高精度、自動(dòng)化、穿透性、全天候、非接觸等特點(diǎn)，其應(yīng)用打破了傳統(tǒng)測(cè)量方式數(shù)據(jù)采集有限、測(cè)繪范圍小、工作效率低等局限，提高測(cè)量效率，保證了測(cè)量人員的安全，降低了人工成本，能高效完成鐵路施工中地形復(fù)測(cè)、土方測(cè)算、大臨建設(shè)等工作。