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        機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)在鐵路施工中的應(yīng)用

        2023-04-04 09:40:18朱萬(wàn)里
        大科技 2023年13期
        關(guān)鍵詞:測(cè)量系統(tǒng)

        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。

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