機載激光雷達技術在鐵路橫斷面測繪中的應用

李平蒼

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津　300251)

1　機載激光雷達簡介

機載激光雷達技術是近幾年快速發(fā)展起來的一門新技術，它集成了激光測距技術、GNSS全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)、慣性導航技術，能快速獲取地面高精度的三維地面模型，已經逐步發(fā)展成為一種全新的對地觀測技術。機載激光雷達測量是將激光雷達測距系統(tǒng)安置在飛行器上，通過記錄激光脈沖從發(fā)射到被地面目標物體反射回激光能量接收裝置的時間延遲，根據光在空氣中的傳播速度，可以精確推算發(fā)射點到地面點的斜距；同時，慣性導航系統(tǒng)測定了飛行器的空間姿態(tài)，GNSS獲取飛行器的空間位置。對激光測量斜距、GNSS測量的飛機航跡信息以及IMU確定的飛機空間姿態(tài)等信息進行聯合平差處理，求出每一個激光腳點的三維空間直角坐標。

機載激光雷達測量與傳統(tǒng)航空攝影測量相比有以下特點：

①能直接獲取地面目標物上密集的空間三維坐標點云；

②受天氣影響小，能全天時、全天候的獲取數據；

③對植被有較強的穿透力；

④只需極少量地面控制點；

⑤數據獲取簡單、高程精度高、數據處理速度快。

2　橫斷面測繪方法比較

橫斷面測量的目的是測定線路中樁處垂直于中線方向的地形起伏形體，計算土石方量，用于線路、路基的設計。一般橫斷面測繪數量多，工作量大，對于山區(qū)、林區(qū)等困難地區(qū)，橫斷面測量成為制約鐵路勘測周期的主要因素，目前我國鐵路定測常用的橫斷面測繪方法有如下三種。

(1)實測法

實測法是利用水準儀、全站儀、GPS-RTK等儀器設備現場實地測量，該種方法效率低、周期長、人力物力消耗大，受天氣、交通、地形等客觀條件的影響大，嚴重地影響勘測設計的周期。

(2)航測法

航測法測繪橫斷面主要是利用數字攝影測量工作站，結合線路中樁高程在立體模型上進行斷面數據采集。與實測方法相比，該方法測繪效率有了很大提高，不用到現場，內業(yè)就能完成橫斷面的采集，但是還不能進行斷面圖的批量生產，需要作業(yè)人員對斷面數據一個一個地采集，對于植被覆蓋較多的地區(qū)，很難滿足精度要求。

(3)機載激光雷達技術

首先對激光點云進行精細分類，獲得高精度的數字地面模型，利用數模批量切繪線路上任意點的橫斷面，測繪橫斷面圖的效率有了很大提高。激光具有一定的穿透力，對于植被覆蓋較密的一般地區(qū)，也能獲取精度較高的數模，對于植被非常密集的地區(qū)，激光雷達也無能為力。

3　在鐵路橫斷面測繪中的應用

3.1　結合影像進行激光點云分類

機載激光雷達獲取的數據主要是激光點云，但是大多數雷達設備都配備了數碼相機，能同時獲取影像數據，可用于激光點云的輔助分類。

實際生產項目中，由于工期緊張、有效航飛天數極少等原因，有時會只獲取點云數據；生產中也存在作業(yè)人員主觀上認為測區(qū)植被較少，地形簡單，分類時忽略了對影像的利用。在進行激光點云分類時應盡量結合影像進行分類，在沒有影像數據時可以考慮利用同時期的衛(wèi)星影像、地形圖等資料輔助分類，否則點云分類成果的精度將會降低甚至出現錯誤。

雖然激光點具有很強的植被穿透力，但是像水稻田、麥田等這樣密集的低矮植被，激光點很難穿透，由于植被不高(0.5 m左右)，如果不結合影像，很容易將植被上的點誤認為是地面點，致使數模精度不高，導致斷面形狀錯誤。常用的雷達設備所發(fā)射的激光點在遇到水面時基本上都被吸收，既使有個別激光點也具有不確定性。實際生產中經常會遇到一些水渠、魚塘等水域，由于水面覆蓋物較多，致使有較多的激光點，分類時也會誤認為地面，導致斷面錯誤(水中斷面應該現場實測)。如果結合影像進行分類，能很容易區(qū)分出水域，去除水面點，并能有效剔除低矮密集的植被高。

3.2　陡坎影響斷面精度

一般來說，激光點云的密度越大，就越能準確反映地表的真實形態(tài)，成圖精度就會越高。在實際生產中會綜合考慮精度和效益，選擇適宜的激光點密度，不會無限地加大點云密度。這樣在地形破碎地區(qū)很容易出現缺少特征點現象，斷面線經過的坎上或坎下經常會少點，由地面點構建TIN時局部地形出現失真，從而導致橫斷面的形狀與實際差別較大，影響鐵路設計。要想解決這個問題必須把所缺少的點補上，最好的方式就是添加特征線，將特征線與地面的激光點一起構TIN，然后再進行橫斷面切繪，將會大幅提高斷面精度。特征線采集的方法有如下幾種：

①將激光點云疊合正射影像圖，充分結合影像信息和激光點云高程信息判斷并畫出特征線。

②利用攝影測量工作站，根據影像的外方位元素，建立立體像對，在立體狀態(tài)下采集所需的特征線。

③外業(yè)中線測量時可附帶著對沿線缺少的特征點線進行采集。

不加特征線構TIN的情形如圖1所示，加入特征線構TIN的情形如圖2所示。

圖1　不加特征線構TIN

圖2加入特征線構TIN

3.3　內外業(yè)結合的既有鐵路橫斷面測繪

在實際生產中，常用的激光點獲取密度還不能準確反應出既有鐵路碴腳、碴肩、軌頂等細小變化，目前對于既有鐵路橫斷面測量或新建鐵路斷面線經過既有鐵路的情況下，都是采用外業(yè)實測橫斷面。為了既能滿足斷面精度又能充分利用已獲取的雷達數據，從而提高橫斷面測繪的效率，可以采用內外業(yè)相結合的方式進行。首先利用雷達點進行斷面線的切繪，然后對雷達點無法正確反應的部分斷面線進行現場實測改正(如圖3所示)。

圖3　內外業(yè)結合的橫斷面

3.4　橫斷面屬性標注

圖4　未標屬性和標注屬性的橫斷面

在進行橫斷面測繪的過程中，不僅要測出斷面線的形狀，還要標注出斷面線上某些特征點的屬性，比如路邊、圍墻、房邊等，這些屬性可更好地輔助鐵路設計。無論是現場實測還是用航測方法采集橫斷面數據，都是逐點采集，人工干預較多，在采集過程中很容易進行屬性信息的添加，而目前利用雷達技術進行橫斷面切繪，自動化程度雖然更高，但是斷面屬性數據的自動提取還很難實現。如果能將激光雷達獲取的原始激光點云數據(DSM)、分類后地面點云數據(DEM)和影像光譜信息充分結合，通過某種算法，在自動生成橫斷面數據的同時自動提取屬性信息，就可以解決屬性數據難以自動獲取的困境。目前比較容易實現的方式是從既有地形圖中提取測繪橫斷面范圍內的道路、圍墻、房屋等矢量數據，如果沒有既有數據，也可以立體采集甚至直接從正射影像圖中畫出這些矢量數據，分層存放，在橫斷面批量自動提取軟件中增加斷面線與矢量數據的相交判斷，根據不同圖層自動添加相應的屬性，從而實現斷面線上屬性數據的自動標注(如圖4所示)。

3.5　加強中樁檢核

在利用雷達技術進行鐵路橫斷面切繪的過程中，經常會遇到外業(yè)打線的中樁高程與雷達高程相差較大的現象，根據以往的項目經驗，多數是外業(yè)高程測量錯誤，有時也存在雷達缺點或數據處理錯誤。目前鐵路定測放線基本都采用GPS-RTK技術，RTK受信號和星歷影響較大，在地形復雜、遮擋物較多的地區(qū)，有時會出現錯誤點，所以要加強外業(yè)實測中樁高程與雷達高程的比對工作。對于高程差值較大的中樁點，應從內外業(yè)兩個方面查找原因，及時解決，避免將錯誤帶入后序工作。定測工作期間應充分利用雷達數據，將中線測量、放孔、道路改移等測量成果與雷達數據進行比較，可以起到復核檢查作用，大大降低外業(yè)測量的錯誤率。

4　結束語

機載激光雷達技術在鐵路勘測中的應用，大幅提高了鐵路勘測效率，縮短了勘測周期，革新了鐵路勘測流程。在實際生產中需要對以上幾個方面高度重視，保障成果質量。盡管雷達技術在橫斷面測繪方面優(yōu)勢明顯，但是在激光點云的自動化分類、斷面屬性的自動化提取、既有鐵路的斷面測繪等方面還需要進一步深入研究，橫斷面測繪的效率和自動化程度還有很大的提升空間。

[1]王長進.機載激光雷達鐵路勘察技術[M].北京：中國鐵道出版社，2010

[2]徐祖艦，王滋政，陽峰.機載激光雷達測量技術及工程應用實踐[M].武漢：武漢大學出版社，2009

[3]賴旭東.機載激光雷達基礎原理與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010

[4]張祖勛，張劍清.數字攝影測量[M].武漢：武漢測繪科技大學出版社，1997

[5]TB10101—99 新建鐵路工程測量規(guī)范[S]

[6]李遠富.線路勘測設計[M].北京：高等教育出版社，2004

[7]張宏偉.矢量與遙感影像的自動配準[D].武漢：武漢大學，2004

[8]吳曉燕.遙感影像與矢量數據結合的道路自動提取及變形檢測[D].武漢：武漢大學，2007