高分辨率衛星影像數據與LIDAR數據在鐵路勘測設計中的深度應用

周 云

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

1 概述

目前，中國陸地工程項目勘測設計基礎資料之一的空間數據獲取方式主要有以下三個途徑:①既有資料獲取(既有地圖及矢量化地圖、國家三角點、GPS點、水準點等);②對觀測數據進行處理獲取(光學航空攝影數據、LIDAR(激光雷達)數據、衛星數據等);③地面實測數據(各種地圖、控制點測繪、地面激光掃描測繪等)。以上三種空間數據的獲取方式各有特點、優勢，在現階段各自應用于各工程項目中。相較于其他傳統的空間數據獲取方式，衛星影像數據(大范圍)和三維激光掃描系統(小范圍)是近幾年研究、開發、應用最為活躍，并在各自優勢上獲得巨大成功的重點方向。目前，衛星影像數據與LIDAR數據也在鐵路勘測中得到一定的應用，但遠沒有達到適應最新測繪科技發展，進而開辟新的鐵路勘測設計工藝流程的地步，實際上，當高分辨率商業衛星影像數據價格逐漸走低，分辨率越來越高的時候(這是必然的趨勢)，將衛星影像數據和LIDAR數據聯合使用于鐵路勘測設計之中，并逐步取代現行勘測設計中的一些工藝流程或者工法是完全可能、可行的。

2 衛星影像與LIDAR在鐵路勘測中的應用現狀

鐵路勘測設計單位衛星影像使用狀況大致如下:一方面，所采用的衛星影像分辨率普遍較低，由于資料不全、現勢性差，以及時間緊迫等問題，導致更新后的地圖不能完全滿足要求，某種程度上會導致方案預可研質量不高;另一方面，由于無規范可循，對衛星影像如何采用、應用程度等問題沒有要求，導致經費預算，各專業衛星影像的選擇(品種、分辨率)、獲取方式等方面隨意性強。

鐵路勘測設計單位使用LIDAR狀況大致如下:目前，幾家鐵路綜合設計院都引進了LIDAR設備，卻正好遇上了鐵路市場蕭條，沒有充分發揮LIDAR應有的作用，并普遍存在以下問題:①沒有理清如何經濟、高效使用LIDAR設備的方式方法，面對較多又處在頻繁改動的線路方案，要么LIDAR設備必須頻繁地上天飛行，實現很困難;要么LIDAR設備大面積飛行，但飛行工作量很大，至少是光學航空相機飛行工作量的2倍以上，實施起來很不劃算;②首先用光學航空相機實施盡可能大范圍的航空攝影，用最新的1：2000地形圖來完成線路方案初測、方案研究，當線路方案基本穩定后，再用LIDAR設備對穩定方案實施小范圍、高精度的飛行，完成定測、初步設計、補充定測。這種方法較好地發揮了光學航空相機覆蓋范圍大、LIDAR飛行數據精度高的優勢，但由于存在兩次飛行，將產生較大的航空攝影飛行費用，時間上也很難保證項目進度要求。

衛星影像數據、激光雷達數據已經開始大規模應用于我國的工程建設之中，鐵路勘測設計同樣需要更新觀念，抓住時機，大量、充分利用新的、高精度的對地觀測數據提高我國鐵路勘測設計水平。另一方面，使用最新測繪科技成果以實現節約開支、減員增效并大幅度減輕員工野外勞動強度。實施方案:①以衛星影像完成大范圍選線設計(以衛星影像數據完成預可研、并以目前可以得到的高分辨率衛星影像測繪1：5000比例尺地形圖完成初測及方案可行性研究);②對定測方案實施超低空飛行，以高密度、高精度的LIDAR激光點云數據、高分辨率數碼影像數據，完成線路1：2000數字地圖、線路縱橫斷面、工點圖內業測量(完成定測、初步設計、補充定測、施工圖設計)。下面分別就上面的兩個目標作可行性分析。

3 技術可行性分析

3.1 高分辨率衛星影像數據應用于鐵路勘測設計

隨著新的航天飛行平臺、傳感器的不斷進步，航天對地觀測技術已經取得并將繼續取得突飛猛進的發展，衛星影像數據分辨率的大幅度提高，已經可以承擔完成測繪工程用大比例尺地形圖的任務。眾所周知，目前世界上衛星(主要指軍用間諜衛星)影像數據的地面分辨已經能達到驚人的0.1m以下，而商業衛星的地面分辨率也已經達到令人滿意的0.5m左右。例如，著名的美國 DG(DIGITAL GLOBE)公司的QUICKBIRD衛星地面 分 辨 率 已 達 0.6 m，WORLDVIEW-1、-2衛星已達0.5m。根據我國的國家測繪標準，0.5m地面分辨率測繪國家1：10000、1：5000比例尺地形圖是完全滿足要求的。鑒于衛星影像的獲取方式都是以推掃式掃描來獲得攝影帶，衛星公司通過一些技術處理，使得用戶可從衛星公司或者代理商那里直接買到高分辨率衛星影像立體像對，避免了單景衛星照片測圖精度較差的不利因素，不需要對衛星影像進行額外處理或者采用新的方法，僅需要現有測圖工具上裝一個衛星影像測圖模塊(國內研制有大量這方面的軟件)，就能直接在各大設計院大量使用的JX4或者VIRTUZO全數字攝影測量工作站上立體測繪相應比例尺地形圖。為此，根據獲得的高分辨率衛星影像，能方便測繪1：1萬比例尺地形圖，利用0.4m、0.5m或者0.6m高分辨率衛星資料完成1：5000比例尺地形圖測繪。根據國內有關公開發表的文章及實驗數據，如果加強相應外業控制，0.4～0.6m高分辨率衛星影像資料還能測繪1：2000比例尺地形圖。

有關這方面的理論研究與工程實踐，國內眾多專家學者、特別是工程實踐一線工程技術人員完成了大量相關文章的撰寫和生產實驗，例如中交第二公路勘察設計研究院有限公司空間信息與數字交通技術研究所為此做了許多開拓性的應用貢獻，在西藏、青海、新疆等無圖區公路勘測設計項目上，高分辨率衛星影像得到了大量成功應用;此外，國家及諸多省級測繪局相關生產單位也相應完成了大量的生產項目。實踐證明，不必實施大比例尺航空攝影，利用高分辨率衛星影像資料完成線路勘測設計預可研、初測、可研是完全可行的(符合鐵路建設項目TB10504—2007行業標準要求，但目前各單位很少使用1：5000圖，這是觀念與習慣問題，如果非要1：2000圖來表示，此階段可以用衛星影像資料以1：5000精度成1：2000圖來實施作業)。同時，高分辨率衛星影像的獲得也為地質遙感判釋及其他專業提供了巨大的應用空間(例如高分辨率衛星影像立體像對將有助于精準遙感判釋并加快地質專業生產進度，而不必等到LIDAR飛行完畢得到數碼像片來實施大比例尺影像判釋等)。

3.2 LIDAR激光數據(包括影像數據)應用于勘測設計

機載激光三維掃描系統LIDAR的出現，可以很方便地得到高精度的DEM數據，特別是慣性導航IMU和全球定位GPS集成的定姿、定位系統(POS系統)大量應用于LIDAR飛行后，不僅外業工作量大量減少，而且使得線路1：2000圖制作、定測階段縱橫斷面測量、工點地形圖測量完全能實現全部內業化，生產效率得到提高，經濟成本得以降低。同時，由于其他原因發生的線路局部改線而超出了LIDAR飛行范圍，可以利用上面用到的高分辨率衛片測繪1：2000比例尺地形圖予以補充完成。

3.3 高分辨率衛星影像與LIDAR數據的聯合使用

通過上面的技術分析可知，用現有高分辨率商業衛星資料制作鐵路勘測用1：10000，特別是1：5000甚至1：2000比例尺地形圖是完全可行并被實踐證明了的成熟工藝流程，完全能滿足鐵路預可研、可研階段設計用圖的需要，特別在西部等特別困難地區，還可以僅以衛星影像資料測繪1：2000比例尺地形圖，滿足初步設計的要求。

鑒于此，如屬競標項目，根據項目的走向，可從衛星公司或者代理商那里購買存檔現勢性高、相應分辨率的衛星影像資料，全面修測1：10000、1：50000地形圖，以提高中標概率(現勢性高的資料獲取在城市特別是大城市完全可以實現，在新建鐵路中，困難可能要大些，如果愿意提前投入，均可直接提前訂購高分辨率衛星影像);如屬于非競標項目，或者雖有競標但志在必得的項目中，可直接向衛星公司或者代理商訂購工程項目區域最高分辨率衛星影像資料，開展1：5000比例尺地形圖的制作，一方面將既有1：10000、1：50000地形圖與最新1：5000地形圖相結合，來完成高質量的預可研方案，將節約可研階段的大量外業工作量;另一方面，完成的1：5000地形圖，可直接用于可研階段的線路勘測設計之中，較好地解決了初測階段的地形圖現勢性問題，使初測階段的工作有了較好的針對性，減少了大量的方案比選外業勘測工作量。同時，由于1：5000比例尺地形圖有較大的覆蓋范圍，對于縮短初測周期，提高設計線路的穩定性，減少比選方案等有極大的幫助。

在定測階段，由于線路方案已趨穩定，此時可利用LIDAR設備(初測階段一般已完成LIDAR飛行的所有手續及飛機等設備的調動)對穩定的線路方案實施沿中線的LIDAR飛行(例如以ALS60、RCD30，飛行相對航高700m左右，覆蓋寬度800m左右，地面影像分辨率10 cm左右)。由于線路方案已基本穩定，800m的覆蓋寬度能滿足現階段1：2000比例尺地形圖成圖寬度需要。對于可能產生的局部方案變動，只要稍加外業工作量，便可利用高分辨率衛星影像來完成1：2000圖的測繪。另外，激光點密度(4個/m左右)及影像數據(地面分辨率優于0.1m)完全可滿足1：500～1：1000比例尺地形圖對精度的要求，通過嚴格的作業流程，DEM數據中誤差可達±0.1m左右，在平原地區新建鐵路、既有公路、既有鐵路改造時精度會更好。同樣，對于可能的局部方案變動產生的外業工作量可上外業隊在很短時間內完成。

由于飛行高度的降低(比光學航空相機降低一半的相對航高)，不僅獲得的LIDAR數據精度高，飛行環境也大為改善，可有效地縮短飛行周期，為后面內業制圖贏得時間。由于全部是單航線飛行，飛行工作量相應減少，避免了航空飛行卡脖子事情的出現。由于有了高精度的DEM數據，可直接在DEM上截取線路縱、橫斷面，減少甚至完全不要做外業縱、橫斷面測量，精度上有保證，而且還能節省大量的外業勘測經費，達到減員增效的作用。由于有了高精度的DEM數據及實現了資料共享，使得鐵路勘測設計一體化真正成為可能，在設計階段，一個人便可在計算機上完成大量初步設計及施工設計用圖。

4 經濟可行性分析

以200 km線路工程，worldview 0.5m分辨率衛片，RC-30黑白膠片航空攝影、AlS60、LIDAR設備等為基礎。

200 km的鐵路新線勘測設計工程以各種方式完成從預可研到施工圖設計需要的勘測經費大約如下。

①使用光學航空相機(如 Leica RC-30)時:約195萬元左右，完成任務難易程度:較難。

②單獨使用LIDAR設備(如Leica ALS60)時:約220萬元左右，完成任務難易程度:難。

③用光學航空相機(如Leica RC-30)結合LIDAR設備時:約220萬元左右;完成任務難易程度:難

④使用衛星影像與LIDAR設備時:約190萬元左右;完成任務難易程度:較難。

與傳統的工藝流程相比較，表面上，一開始購買衛星影像時花的錢較多，但由于避免了各專業重復購買衛星影像而相對減少了費用，初測外業工作量較少了費用，定測外業工作量較少了費用(實際上以LIDAR內業數據汲取斷面時，費用會更少)，故將高分辨率衛星影像、LIDAR數據聯合使用而形成的鐵路勘測設計工藝流程其費用比其他工藝流程相當甚至更低，但難易程度降低，能最大限度滿足勘測設計要求，發揮高新技術力量，減少大量外業人員投入。

5 時間可行性分析

我們這里所說的時間一是資料的現勢性，另一個是資料的獲取速度。從總的時間上來講，對于鐵路等長大帶狀面積目標來說，一般要調商業衛星專門攝影來獲取最新資料，從申請到獲得資料一般需要等幾個星期到一、二個月時間不等(衛星對客戶要求的目標進行照相，其時間長短主要取決于線路的走向與天氣情況而無空中管制影響);這樣的時間基本等同于傳統的航空攝影時間(從單位行文，大軍區審批，空軍民航空域審批，等待天氣飛行等)基本相當。特別在南方雨季，由于衛星照相不受空域限制，能抓住雨季每一個有限的晴好天氣而略具優勢。同時，由于衛星影像單景影像覆蓋面大，例如對于worldview衛星來說，單景幅寬為17 km，即使衛星公司按5 km×5 km的面積來裁切，這已經是一個相當寬的范圍，基本上能包含貫通方案以外的所有比較方案，也就是說購買一次，能滿足全部的制圖范圍。即使當方案變化較大時，也不需要重新航空攝影或者必須購買既有航空攝影資料來完成變化方案的制圖，而是直接從衛星公司購買存檔資料。對于不需要競標的項目，可以提前調衛星對項目攝影，能爭取大量的時間;對于需要競標的單位，可以與衛星公司或者代理商建立一個積極、靈活的機制(第一必須是衛星公司以外的第三方掌握數據，第二，就是新的勘測方法必須成為設計單位的共識)，提前調衛星對目標進行攝影，在預可研階段完成或者說開標明確中標單位后，由中標單位支付費用。這樣，一方面爭取了時間，另一方面也不存在讓沒中標的單位產生不必要的額外大量費用。衛星影像的內業處理應該更具優勢，立體相像對少，內、外業工作量都會相應減少(0.5m分辨率worldview衛星，200 km大概只有40個立體相對)。

由于線路方案穩定，攝影航線減少，飛行高度降低，LIDAR飛行比常規飛行要減少至少50%的時間。

LIDAR內、外業工作量與常規膠片航空攝影測量內外業所用時間短。

定測以及補充定測階段的大量外業工作是貫通方案的縱、橫斷面測量、工點地形圖測繪，常規方法是必須動用大量外業勘測隊伍實施野外測量來獲得，精度低、費用大、效率不高。有了LIDAR數據以及由此而生產出高精度的DEM數據后，縱橫斷面測量、工點地形圖完全可以在室內完成。精度高，費用低，效率將是外業實測的好幾倍。

6 結論

通過上面的分析，無論從技術上、經費上還是時間上，將衛星影像數據與LIDAR數據聯合應用于現階段的鐵路勘測設計是完全可行的。除此之外，將衛星影像數據與LIDAR數據聯合應用于現階段的鐵路勘測設計還會給勘測設計單位帶來以下好處:

①衛星影像制圖為設計部門承擔國外工程勘測項目(以衛星立體影像完成1：2000比例尺地形圖測繪)開辟了新途徑。

②提高了工程項目勘測設計質量，縮短了勘測設計周期。

③適應新的科技發展方向，為迎接衛星攝影測量與制圖時代的到來做好了準備。

④提高了企業科技含量，適應了企業減員增效的發展方向。

可以預見，當中國完成大規?；窘ㄔO后，以少、精、尖為特色的勘察設計單位甚至設計事務所是一種世界性的發展趨勢，而正視最新的相關科技發展，并善于加以應用正是國有大型勘測設計單位走向成熟的必經之路。

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