機載LiDAR測量技術在濰萊高鐵勘測中的應用

朱 磊 趙 菲 何 俊

(1.山東省國土測繪院，山東 濟南 250102； 2.山東省地質環境監測總站，山東 濟南 250014)

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機載LiDAR測量技術在濰萊高鐵勘測中的應用

朱 磊1趙 菲2何 俊1

(1.山東省國土測繪院，山東 濟南 250102； 2.山東省地質環境監測總站，山東 濟南 250014)

以濰萊高鐵勘測項目為例，對采用機載LiDAR技術獲取鐵路走廊帶勘測數據進行了研究，介紹了利用LiDAR數據繪制帶狀地形圖與斷面圖的技術，通過與航空攝影測量和常規測量技術進行對比分析，得出了有意義的結論，為今后同類工程提供參考。

機載LiDAR，高鐵，點云數據，軌道線

0 引言

測繪是鐵路建設的關鍵技術之一，它貫穿整個鐵路建設過程，是工程順利完工的必要保證。勘測設計階段是測繪工作比較集中的時期，分為初測和定測兩個不同的工序，其中，初測中的地形圖測繪和定測中的斷面測量工作量較大，以往采用全野外測量，外業工作量大，工作持續時間長。隨著我國鐵路建設事業的蓬勃發展，如何快速、準確地獲取鐵路線路走廊帶的勘測數據已經成為鐵路建設者必須面臨的技術難題。

機載LiDAR作為一門新興的測量技術，集激光測距技術、全球定位技術、慣性測量技術和光譜成像技術于一身，可搭載于固定翼、直升機等多種航空飛行平臺，快速獲取精確的地面高程數據和高清晰影像數據，用于繪制帶狀地形圖和生成斷面圖，服務于道路勘測設計。

本文以濰萊高鐵勘測項目為例，對采用機載LiDAR技術獲取鐵路走廊帶勘測數據以及利用LiDAR數據繪制帶狀地形圖與斷面圖技術進行了研究，通過與航空攝影測量和常規測量技術進行對比分析，得出有益結論。

1 LiDAR數據獲取與處理

1.1 項目背景

濰萊高鐵西起濟青高鐵濰坊北站，經昌邑、平度，接入青榮城際鐵路萊西北站，是山東省“三橫”快速鐵路網“中部通道”的重要組成部分。勘測區域呈帶狀分布，東西長約123 km，南北寬度為2 km～5 km。測區西部地形為濰北平原，平均海拔高度為10 m左右，東部屬膠東丘陵，地勢起伏在150 m以下，地勢較為平坦。

1.2 技術路線

首先采用固定翼飛機搭載機載LiDAR系統對線路走廊帶進行航空掃描，獲取地面點云與影像數據；然后對獲取的POS數據基于地面基站數據進行差分處理，生成包含坐標與姿態信息的軌跡線文件；最后，采用LMS軟件對激光測距文件、軌跡線文件和檢校參數進行聯合解算，生成預處理點云數據。影像外方位元素則由曝光時間文件內插軌跡線文件生成。

點云數據包含地面高程信息，精度較立體測圖高，密度大，DLG地貌圖層中的高程點可直接從點云數據中提取，等高線由點云數據構建三角網自動生成。地形圖采用立測法或DOM矢量化疊加高程點生成，斷面圖采用點云自動裁切生成，技術路線圖如圖1所示。

1.3 航線設計與數據獲取

航攝系統為用加拿大Optech公司生產的Orion H300型機載LiDAR，集成CCD為8 000萬像素的CS10000型框幅式相機，航攝平臺采用運-12型通用運輸機，主要航攝參數見表1。

表1 主要航攝參數表

參數數值飛行高度1500m飛行速度240km/h點云密度2．15點/m2點云間距0．68×0．68mGSD0．16m

根據勘測范圍形狀特點，航線東西方向敷設，共計18條航線，測線總長度為691 km，飛行時長為4.5 h。航攝范圍、航線與地面基站(SDCORS)分布如圖2所示。

1.4 軌跡線解算

POS系統采用Applanix公司POS AVTMAP50(OEM)，220通道GNSS系統，IMU記錄頻率為200 Hz，定位精度為0.05 m～0.30 m，側滾角和俯仰角不超過0.005 deg，航偏角不大于0.008 deg。軌跡線解算采用隨機軟件POSPac MMS6.2，單基站緊密耦合算法，地面基站為SDCORS系統PIND(平度)站點，其數據采樣率為1 s，距離航線最遠端68 km，能夠滿足POS差分解算需求。經卡爾曼濾波估算，軌跡線平面位置中誤差為2.3 cm，高程中誤差為3.4 cm。

1.5 點云預處理

激光測距文件聯合軌跡線文件和檢校參數，采用LMS軟件進行點云坐標解算，通過重疊航帶間的同名面進行航帶匹配運算，獲得條帶間精確匹配的預處理點云數據。

1.6 高程轉換

點云數據獲取與預處理基于WGS84坐標系，高程為大地高，而鐵路勘測設計采用85高程系統，須將點云高程轉換至正常高。大地高和正常高之間存在如下轉換關系：

h=H-ζ。

山東省測繪基準體系優化升級工程完成的山東省似大地水準面模型，分辨率為2.5′×2.5′，外符合精度為1.8 cm，完整覆蓋勘測區域，用于將點云高程由大地高轉換至正常高。高程轉換完成后，采用RTK采集地面點檢核，點云高程中誤差為10.6 cm。

2 基于LiDAR數據制作1∶2 000地形圖

機載LiDAR點云和影像數據可以快速生成高精度數字高程模型(DEM)和數字正射影像圖(DOM)，滿足高速鐵路三維設計需求。但初測階段，仍須繪制帶狀地形圖，用于鐵路工程紙上定線和初步設計。

機載LiDAR同步獲取點云數據與影像數據，可用于繪制大比例尺數字線劃圖，常用方法有兩種，立體測圖法和點云輔助DOM矢量化法。立測法是指對影像數據進行空三加密，然后根據立體像對進行立體測圖。點云輔助DOM矢量化法流程是采用影像數據和點云數據快速生成DOM，基于DOM進行居民地、道路、水系、管線等地物要素矢量化，高程、等高線等地貌要素則采用點云生成。二者相比，后者工作量較小，對軟硬件要求低，濰萊高鐵項目采用點云輔助DOM矢量化法制作帶狀地形圖。

在TerraSolid或Arcgis等軟件中采用地面高程點構TIN，生成地面模型，自動提取等高線，經人工編輯修飾，可與立測的等高線很好吻合，精度能滿足鐵路勘測設計的需要。

高程點提取采用自動提取加人工干預方法。壩頂、十字路口等特征點高程采用人工提取，其他區域設計軟件自動提取，高程點分布均勻，精度較高。

居民地、道路、水系、管線等地物要素對鐵路方案設計有重大影響，必須準確繪出。一般情況下居民地、道路、水系等地物在DOM上都有清晰的輪廓，容易判識出來。管線中的地下輸油、汽、水、電等管線須野外調繪后方可參照調繪位置進行描繪；地面上的電力和通訊線路在DOM上位置容易判讀，但是要依據外業調繪確定電線桿之間的連接關系。當然，由于LiDAR點云數據對在電力線和通訊線上形成反射，在DSM影像上可以看清楚，也可以通過一地的算法進行矢量提取。

3 使用機載LiDAR技術開展線路定測

定測的主要任務是把初步設計中選定的中線測設到地面上去，然后沿測設線路進行縱斷面和橫斷面測量，以提供更詳細的地形資料供施工設計使用。根據規范要求，線路曲線每隔20 m，直線每隔50 m需要測繪一個橫斷面，橫斷面數量多，工作量大。斷面主要作用是計算工程數量，斷面測量精度直接影響工程量計算的準確性。斷面測量常用方法有航空攝影測量法和全野外測量法，前者內業立測工作量大，平原地區高程精度難以滿足斷面測量精度要求，必須采取全野外高程控制點和大量實測的高程散點相結合，大大增加了外業人員的工作量。若采用全野外測量，斷面數據靠人工野外實測，勞動強度大、效率低，在危險地區會對測量人員和儀器設備安全造成威脅。

機載LiDAR測量技術直接獲得地面高程點三維坐標，高程精度高、點云密度大，可以提供高精度的DEM，采集斷面較容易，精度也高，而且容易實現自動化。對于機載LiDAR數據建立的數字地面模型，根據已經設計完成的線路位置和設計要求，通過軟件可以很容易的獲取所需要橫縱斷面測量數據，這樣可以節省大量的時間和人員，提高工作效率。

4 結語

采用機載LiDAR技術開展鐵路勘測，具有航飛周期短，控制點測量大幅減少、點云數據處理自動化程度高，點云數據精度高，橫斷面可批量生產等優勢。激光雷達技術采用主動激光測量，較常規攝影測量受陰影和太陽高度角影響小，對植被和霧霾具有一定的穿透性，相較于航空攝影方法對天氣條件要求稍低，適航天氣更多，有效縮短作業時間。

機載LiDAR勘測技術與全野外數字化測圖技術相比具有工作效率高，內外業勞動強度低，數字化產品多樣及屬性信息豐富等優點，尤其在河流、山谷等危險勘測環境，由于機載LiDAR測量的非接觸性，大大保障了勘測人員的人身與財產安全。作為一種先進、快速、準確的測量技術，機載LiDAR測量可廣泛應用于鐵路勘測領域。

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[5] 王麗英.機載LiDAR數據誤差處理理論與方法[M].北京：測繪出版社,2013:116-119.

On application of onboard LiDAR measurement technique in high-speed Weifang-Laixi railway survey

Zhu Lei1Zhao Fei2He Jun1

(1.ShandongLandSurveyingandMappingInstitute,Jinan250102,China;2.ShandongGeologicalEnvironmentMonitoringStation,Jinan250014,China)

Taking Weifang-Laixi high-speed railway survey as the example, the paper researches the corridor zone of the railway with the onboard LiDAR technique, introduces the technique to map the topographic and section with LiDAR data, undertakes the comparative analysis of the aerial photography measurement and regular measurement, and achieves some beneficial conclusion, so as to provide some reference for similar projects.

onboard LiDAR, high-speed railway, point cloud data, railway

2017-04-13

朱 磊(1982- )，男，注冊測繪師

1009-6825(2017)18-0195-02

P258

A