“無人機+激光雷達”在集通線復測中的應用

呂曉煜

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

1 研究背景

鐵路既有線復測是一項較為復雜的工作，其主要工作包含：新建鐵路與既有線接軌、曲線要素推算、撥距量計算、地形圖修測、橋梁上跨下鉆測量等。

傳統既有線復測多采用鋼尺、絕緣尺丈量里程，采用全站儀測量距離、偏角，使用GNSS RTK測量中線坐標，使用水準儀抄平。傳統既有線測量方法具有精度較好、技術流程成熟等優點，但存在安全性差、上線困難、效率較低等問題：在直線地段，采用GNSS RTK測量中線坐標精度與效率較好，但在曲線段，其相對精度很難達到設計要求；如果遇到GNSS星歷狀態不好時，受限區域較多；絕緣尺丈量精度較低，全站儀丈量雖然精度好，但效率無法保障[1-3]。

近年來，許多學者針對既有線復測提出了一些新方法，如徐進軍等將軌道狀態測量儀應用于既有線復測，并提出采用零級電子軌距尺進行軌道測量[4]，該方法具有自動化程度好、測量精度高等優點，但是基于高速鐵路研制的軌道測量儀裝備移動復雜，且只能在運營天窗內上線作業，難以適應常規普速有砟鐵路天窗點少且時間短的現狀。 周禹昆等研發了GNSS RTK既有線測量小車[5]，其優點是集成了傳統測量的GNSS RTK、方尺、支撐架、絕緣尺等設備，整體作業效率有較大的提高；其缺點是在曲線段落丈量精度較低，且作業效率有所降低。隨著激光雷達的發展和普及，也有部分學者嘗試采用車載激光雷達小車進行既有線復測[6]，該方法具有自動化程度高、數據信息量大、效率高等特點，但需要安裝掃描標靶，控制測量工作較大，且設備拆裝較為復雜。

不難看出，以上方法均需要上線作業，作業前需要與既有線運營管理部門簽訂上線安全管理協議，手續繁瑣。另外，線上作業時需工務人員配合，且受天窗時間限制，測量人員設備不能充分得到利用。

未來既有線測量向著自動化、高精度、非接觸、大數據、高效率的方向發展，隨著無人機技術和輕型機載LIDAR技術的快速發展，使得既有線復測工作有可能變得方便、快捷[7]。

2 激光雷達的特點

雷達系統采用激光作為傳感的載體，測量精度和效率較高。由于激光波長很短，可以對極小的目標進行探測；而且激光雷達抗干擾能力強，不易受電波、地波的干擾，對多路徑效應和等離子層的干擾也不敏感[8]。

由于航高原因，常規載人機的激光雷達通常只能得到稀疏點云；無人機平臺的機載激光雷達由于航高低，將獲得可觀的點云數據。值得指出的是，無人機激光雷達無需上線作業且拆裝方便，與鐵路運營管理部門簽訂簡單的協議后即可作業；無人機起飛場地受限小，作業靈活度和時間效率大幅提高。

3 無人機激光雷達數據采集與處理試驗

目前，無人機機載激光雷達在既有線中的應用仍處于起步階段，暫無大面積應用先例和規范。為驗證其可行性與精度，設計了一套既有線復測的數據獲取和處理方案。

本次集通線試驗設備選用，經過多次比選，決定采用多旋翼無人機，該機型是一種具備垂直升降、懸停性能優異、移動靈活、機械結構緊密地小型無人飛行器，其有效載荷能達到8～10 kg，搭載RIEGL VUX_SYS系統后，單架次航飛時間約為20 min。飛行前，將設計航飛相關參數導入無人機系統即可實現自動數據獲取，試驗段線路里程全長10 km，累計飛行3架次。

3.1 設備主要技術參數

航飛相對高度為50 m，巡航速度為4.8 m/s， 航線間距為100 m，飛行區域按照預先航帶設計導入并自動飛行。飛行過程中，應保證線路左右各有一條航帶數據，原則上增加了既有線曲線段上的航線。系統搭載的激光發射器發射頻率為200 kHz，IMU標稱精度為0.015°，設計點密度為240 pts/m2，單航帶實際點密度約為100 pts/m2，航飛后實際獲取的點密度約為300 pts/m2。

3.2 基站布設

為保證無人機激光雷達掃描測量和GNSS/IMU技術的實施，需要在地面布設GNSS基站，并架設高精度GNSS信號接收機，與機載POS系統內置GNSS接收機同步進行GNSS觀測，以實現動態DGPS相位差分測量定位。在鐵路工程GNSS測量中，單個GNSS基站覆蓋半徑通常為50～300 km[9]。本次試驗中，為確保得到高精度的激光點云數據，相鄰GNSS基站間隔不大于5 km。

3.3 點云精度改正標志

測段范圍內，平均每500 m布設1對平高控制點，分布于鐵路兩側。每個點位處，依次布設2個“米字形”激光雷達平面靶標，平面靶標采用2根鋁桿交叉一定角度并安置于三腳架上[10]，目的是通過該裝置精確提取靶標中心點位置，并將其作為點云平面改正的控制基礎[11]。為盡可能準確計算激光點云與高程控制測量成果之間的系統差值，在平坦地面上，采用類似“九宮格”的方式布設高程控制點，用于改正高程精度，“米字形”平面靶標和“九宮格”控制點的布設如圖1所示。

圖1 “米字形”靶標與“九宮格”點

所有布設的點位通過噴漆或者畫筆描繪的方式標識，以便后期進行控制測量，高程控制測量采用三等水準測量，平面控制測量采用GNSS快速靜態測量，全線控制點成果通過整網平差計算得到。

3.4 激光點云數據掃描與處理

標志布設完成后，即可開展既有線點云數據獲取工作，掃描過程中，無人機按預先設計的航線勻速飛行，激光點云數據處理的內容包括：航跡解算，點云航帶裁剪與平差，坐標轉換，點云精化，精度評價等[12]，數據處理流程如圖2所示。

圖2 點云數據處理流程

3.5 激光雷達點云數據精化

初始DGPS/IMU聯合平差后輸出的激光點云難以達到既有線測量精度，故采用沿線布設的“米字形”平面靶標和“九宮格”高程控制點來提高激光點云的測量精度，點云平面坐標修正可采用

X=a1x0+b1y0+c1

Y=a2x0+b2y0+c2

(1)

式中，X，Y為修正前坐標；x0，y0為修正后的坐標；a1，a2，b1，b2，c1，c2為仿射變換參數。

“米字形”靶標提取過程為：提取單條鋁桿點云并進行濾波分類，采用最小二乘法對分類提取的兩條鋁桿點坐標進行線性擬合，再用擬合出的兩條線性方程求交點坐標。

激光點云高程的修正方法采用基于“九宮格”的高程擬合面進行改正，首先計算“九宮格”中所有點與其激光點云高程的差值dzi(其中i=1，2，3，…，9)，然后采用式(2)求解沿線每處“九宮格”高程異常平均值δ，最后通過全線的高程異常均值建立改正模型進行改正。

(2)

3.6 既有線特征提取與軌面擬合

精化后的激光點云數據可用于鐵路既有線信息提取，軌面信息特征提取的基礎工作是激光點云的濾波分類，依次對全線范圍內所有的軌面進行濾波分類，圖3為其頂視圖精細分類成果。

圖3 軌面特征分類部分結果

分類后的軌面激光點云數據包含大量粗差點，需選取特征點進行軌面擬合，擬合的結果為1組離散的坐標點，用于待求里程坐標的平差。提取特征點采用人工方式，以3～5 m的間隔，依次確定左右軌面中心特征點。隨后，對中心特征點的軌面數據構建三角網，逐點判斷擬合點在三角網中的位置，并基于坡度、位置等幾何關系，再次剔除粗差點。提取軌面中心特征點后，根據直線段50 m 1個點，曲線段20 m 1個點建立對應未知關系，導入既有線測量軟件中進行平差計算(見圖4)[13]，平差后的結果為里程、坐標、高程。

圖4 既有線中線坐標平差

4 精度分析

為驗證新方法在既有線軌面坐標提取精度，采用常規測量方法對其進行驗證。試驗線路區間兩側共布設米字平面靶標控制點22個，九宮格高程控制點225個。

平面測量采用GNSS-RTK采集，有效觀測時間大于20 s，高程采用四等水準測量。共采集平面有效檢測點41個，高程有效檢測點32個。作為試驗參照組，未精化激光點云數據與常規實測的檢查點對比精度統計如表1所示。

表1 未精化激光點云數據精度統計 m

經平面和高程精化后，將點云數據與實測數據進行比較，其精度統計如表2所示。

表2 精化后激光點云數據精度統計 m

統計結果顯示，精化后的軌面坐標精度有顯著提高，利用平差后的坐標成果與查詢的既有線平面曲線參數進行撥距計算與橫縱斷面測量，其軌面平面、高程精度能夠滿足既有線一般工程的計算需要[14-15]。

5 結論

(1)輕型激光雷達可以搭載于旋翼無人機平臺，經過系統集成和改造后，其測量成果可應用于鋪速有砟既有線一般工程的常規作業，但不可用于施工和接軌。

(2)無人機機載激光雷達技術具有周期短、效率高、安全性好、勞動強度低和作業靈活等優勢，可以彌補傳統測量的不足。

(3)在每500 m布設1對控制點的情況下，采用米字形靶標平面控制點和九宮格高程控制點進行點云精度改正，其平面和高程中誤差為3 cm和3.4 cm。