無人船輔助激光雷達(dá)在跨河測量中的應(yīng)用

劉冰洋

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 概述

隨著我國鐵路建設(shè)的快速發(fā)展,在鐵路勘測領(lǐng)域一直積極探索和吸收遙感、測繪先進(jìn)技術(shù)[1-2]。LiDAR技術(shù)作為一種高時(shí)空分辨率三維對地觀測手段[3],在鐵路勘測中的應(yīng)用日趨成熟[4],已在漢十高鐵、徐連高鐵、甬舟鐵路、瑞梅鐵路等多條鐵路成功使用,其精度、激光功率、掃描速度、回波能力、穩(wěn)定性、地形適應(yīng)能力等方面也在不斷優(yōu)化[5]。與此同時(shí),隨著定位、測深、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展,利用無人船進(jìn)行水下地形測量也有了一定進(jìn)步,使得利用無人船輔助激光雷達(dá)進(jìn)行跨河測量成為可能。

2 機(jī)載激光雷達(dá)與無人船的技術(shù)特點(diǎn)

2.1 機(jī)載激光雷達(dá)的技術(shù)特點(diǎn)

相較于傳統(tǒng)航空攝影,機(jī)載激光雷達(dá)航攝具有以下優(yōu)勢[6-7]:主動(dòng)式測繪地表空間信息;對于植被有一定的穿透作用;整體精度更高;對航攝天氣要求低;可以快速生成DEM/DSM成果。

但其在對地形數(shù)據(jù)獲取方面仍有不足[8-10],主要表現(xiàn)在:除特定針對海洋測繪的激光雷達(dá)以外,一般的機(jī)載激光雷達(dá)對于有水區(qū)域的測量難以滿足勘測需求;對植被較厚的區(qū)域穿透力不夠,難以獲取足夠多的地面點(diǎn),不利于后續(xù)地形產(chǎn)品的生產(chǎn)。

2.2 無人船的技術(shù)特點(diǎn)

水下地形測量一般包含定位、測深兩個(gè)主要技術(shù)。傳統(tǒng)的水下地形測量定位主要利用光學(xué)定位及無線電定位手段,包括:斷面索法、水平板儀或經(jīng)緯儀視距法、前方交會(huì)法、六分儀后方交會(huì)法、電磁波測距極坐標(biāo)定位法等;傳統(tǒng)的測深方法主要有桿測法、錘測法、超聲波量深法等[11-12]。

現(xiàn)階段,無人船多采用衛(wèi)星定位方法,如實(shí)時(shí)GNSS動(dòng)態(tài)差分定位;測深多采用多波束或單波束測深儀。在此基礎(chǔ)上,還增加了慣導(dǎo)、攝像、水速測量等多種技術(shù),形成了無人船、GNSS、測深儀、ADCP、陀螺儀、CCD相機(jī)等多設(shè)備集成的測量系統(tǒng)[13-15]。

3 基本流程

利用機(jī)載激光雷達(dá)與無人船進(jìn)行跨河區(qū)域的地形成果生成,其流程見圖1。其中,機(jī)載激光雷達(dá)航空攝影(包含影像、激光點(diǎn)云、POS的數(shù)據(jù)采集)、地面站數(shù)據(jù)采集、外業(yè)控制測量、無人船水下地形數(shù)據(jù)采集4個(gè)過程為外業(yè)數(shù)據(jù)采集部分,其余為內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理部分。

圖1 無人船輔助機(jī)載激光雷達(dá)地形圖生成流程

4 案例分析

4.1 項(xiàng)目概況

江西省內(nèi)某鐵路穿越武夷山余脈,越嶺后進(jìn)入興寧盆地。海拔高度一般為350～1000m,相對高差200～650m,最高峰為安遠(yuǎn)境內(nèi)之雞籠嶂,海拔高度為1445m。沿線主要河流有綿江、湘水、尋烏河以及梅江,多具山區(qū)河流特征,河谷深切,河流兩岸階地發(fā)育,一級(jí)階地地形平緩,高階地受后期剝蝕作用,階面呈波狀起伏。

為滿足鐵路定測需求,需生產(chǎn)任務(wù)區(qū)內(nèi)鐵路縱斷面、橫斷面、1∶2000地形圖等數(shù)字化地形成果,決定采用激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行地形數(shù)據(jù)采集;對于河流區(qū)域,輔之以無人船方式采集河底信息。

4.2 機(jī)載激光雷達(dá)航空攝影

為高效獲取線路走廊帶地形數(shù)據(jù),采用有人機(jī)搭載機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)獲取全線機(jī)載激光點(diǎn)云和高分辨率數(shù)碼影像,數(shù)據(jù)覆蓋范圍見圖2,激光點(diǎn)密度優(yōu)于20點(diǎn)/m2,影像分辨率優(yōu)于0.05m。針對設(shè)計(jì)過程中方案變更的工點(diǎn),采用無人機(jī)激光雷達(dá)進(jìn)行補(bǔ)飛。

圖2 走廊帶激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)

4.3 外業(yè)控制測量

為了保證機(jī)載激光點(diǎn)云和正射影像的質(zhì)量,按照1∶2000地形圖生產(chǎn)相關(guān)要求,利用GNSS外業(yè)實(shí)測的方式,對測區(qū)進(jìn)行外業(yè)控制點(diǎn)的布設(shè)及測量;挑選部分位于點(diǎn)云航帶首尾或航帶搭接處的像控點(diǎn)作為點(diǎn)云控制點(diǎn),對點(diǎn)云進(jìn)行控制改正;同時(shí),按照外業(yè)控制測量同等的要求,采集部分檢查點(diǎn)用于評(píng)估點(diǎn)云成果及DOM成果的精度,未作為點(diǎn)云控制點(diǎn)的像控點(diǎn)可以作為檢查點(diǎn)。

(1)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

①高程精度統(tǒng)計(jì)

在鐵路全線共布設(shè)了106個(gè)高程檢查點(diǎn),位于水泥路、土路、荒草地等位置,基于高程檢查點(diǎn),統(tǒng)計(jì)激光點(diǎn)云的高程精度,示例見圖3。

圖3 檢查點(diǎn)7P5(路面點(diǎn))在點(diǎn)云中的位置及高程差值

誤差結(jié)果分布見表1,所統(tǒng)計(jì)的最大誤差為0.138m,平均誤差為-0.01m,中誤差為0.050m。

表1 激光點(diǎn)云高程誤差分布統(tǒng)計(jì)

②平面精度統(tǒng)計(jì)

在測區(qū)實(shí)測了42個(gè)房角點(diǎn)用于平面精度檢查,示例見圖4。

圖4 檢查點(diǎn)a37(房角點(diǎn))在點(diǎn)云中的位置

誤差結(jié)果分布見表2,所統(tǒng)計(jì)的最大誤差為0.15m,平均誤差為0.09m,中誤差為0.093m。

表2 激光點(diǎn)云平面誤差分布統(tǒng)計(jì)

(2)正射影像數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

在全線選擇了64個(gè)平面檢查點(diǎn),對DOM成果的平面精度進(jìn)行檢查,誤差結(jié)果見表3,所統(tǒng)計(jì)的最大誤差為0.09m,平均誤差為0.042m,中誤差為0.048m。

表3 DOM平面誤差分布統(tǒng)計(jì)

4.4 點(diǎn)云濾波分類

基于MicroStation V8i平臺(tái),利用TerraSolid軟件,先對小塊數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較,得出合理的Ground分類參數(shù);再通過宏命令運(yùn)行,自動(dòng)完成點(diǎn)云初分類;再借助人工檢查、編輯和修改,得到點(diǎn)云分類最終成果。

4.5 無人船水下地形數(shù)據(jù)采集

線路途徑河流區(qū)域,激光雷達(dá)技術(shù)難以采集有效信息,可利用無人船進(jìn)行水下地形數(shù)據(jù)采集以補(bǔ)充點(diǎn)云數(shù)據(jù)。以尋烏河所在測區(qū)為例(見圖5),測區(qū)位于尋烏縣以南,此處河寬約50m,河深約5m;河西岸地勢較平,以農(nóng)田、居民地為主;河?xùn)|岸依河而建公路,路外地勢陡峭。需獲取鐵路縱斷面、橫斷面及1∶2000地形圖,以輔助該區(qū)域橋梁、路基、隧道專業(yè)的設(shè)計(jì)工作。具體步驟如下。(1)無人船檢校。無人船使用前,聯(lián)系設(shè)備廠商幫助檢校保證無人船測量合格后,托運(yùn)到作業(yè)區(qū)使用。

(2)無人船數(shù)據(jù)采集。按照GNSS-RTK測量的要求,對GNSS接收機(jī)進(jìn)行校正、設(shè)置后,將GNSS接收機(jī)連接到無人船指定位置上,輸入桿高信息,按照設(shè)計(jì)路線進(jìn)行無人船數(shù)據(jù)采集(見圖6)。

圖6 無人船數(shù)據(jù)采集

(3)無人船數(shù)據(jù)整理。對無人船數(shù)據(jù)進(jìn)行下載、整理、檢查。經(jīng)檢查,航線交叉區(qū)域數(shù)據(jù)符合鄰近數(shù)據(jù)的變化趨勢,見圖7。

圖7 交叉點(diǎn)數(shù)據(jù)對比

4.6 生成任務(wù)區(qū)地形數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)生產(chǎn)主要基于MicroStation V8i、TerraSolid、Auto CAD等軟件。

(1)圈定任務(wù)區(qū)。根據(jù)斷面的中樁點(diǎn)坐標(biāo)、端點(diǎn)坐標(biāo)、斷面長度等信息圈定任務(wù)區(qū),如圖8所示,黃線為展繪出的斷面線,綠線為根據(jù)斷面范圍圈定的任務(wù)區(qū)。

圖8 任務(wù)區(qū)內(nèi)DOM及點(diǎn)云

(2)讀取任務(wù)區(qū)正射影像及點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

(3)讀取任務(wù)區(qū)無人船水下地形數(shù)據(jù)。將水下地形數(shù)據(jù)整理成Terra可以識(shí)別的.xyz格式,將其讀入并歸為underwater類,渲染后效果見圖9。

圖9 基于ground地面點(diǎn)類及underwear水下地形點(diǎn)類渲染的高程模型

(4)斷面線生成。利用斷面生產(chǎn)軟件,基于ground類和underwater類自動(dòng)生成橫斷面、縱斷面,并人工檢核、編輯。斷面生成基本算法:依據(jù)斷面位置信息,提取斷面線周圍地面點(diǎn)或水底點(diǎn);將提取點(diǎn)構(gòu)三角網(wǎng);斷面線與三角網(wǎng)交點(diǎn)即為斷面線節(jié)點(diǎn),計(jì)算其平面坐標(biāo)、高程值、到中樁點(diǎn)偏距;排列節(jié)點(diǎn)信息,展繪、輸出斷面線數(shù)據(jù),見圖10。

圖10 縱斷面、橫斷面成果

(5)斷面檢查。在全線范圍內(nèi),采用實(shí)測點(diǎn)對質(zhì)檢斷面節(jié)點(diǎn)的方法,抽樣6組數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)檢,各斷面上包含50～134個(gè)節(jié)點(diǎn),6組斷面共有532個(gè)點(diǎn),斷面寬度分為60～100m。經(jīng)統(tǒng)計(jì),不能滿足距離限差±0.3m、高程限差±0.35m要求的點(diǎn)共計(jì)有8個(gè),占全部樣本檢測點(diǎn)個(gè)數(shù)的1.5%,據(jù)此樣本分析,本方法提取出來數(shù)據(jù)精度滿足設(shè)計(jì)要求。

(6)生成等高線、高程點(diǎn)注記。基于地面點(diǎn)和水底點(diǎn),利用Terra自動(dòng)生成等高線,按標(biāo)準(zhǔn)格網(wǎng)內(nèi)插生成高程點(diǎn)注記,見圖11。按照抽樣檢測的原則,地面點(diǎn)生成的斷面節(jié)點(diǎn)滿足平面0.3m、高程0.35m的精度要求,故由地面點(diǎn)生成的等高線、高程點(diǎn)注記可滿足1∶2000地形圖要求。

圖11 生成等高線、高程點(diǎn)注記

(7)地形圖編輯。按根據(jù)1∶2000地形圖技術(shù)要求,完成地形圖編輯、整飾、輸出。

5 結(jié)論

(1)無人船輔助機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)可生產(chǎn)跨河區(qū)域的鐵路縱、橫斷面及等高線等地形表示成果,且精度滿足《鐵路工程測量規(guī)范》的要求,可以用于鐵路勘測。

(2)無人船輔助機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)大大提高了跨河地形數(shù)據(jù)采集、地形成果制作的效率。

(3)無人船與機(jī)載激光雷達(dá)互補(bǔ)協(xié)同作業(yè)的模式可發(fā)揮各自的優(yōu)勢,彌補(bǔ)彼此的不足。

(4)無人船輔助機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)可以完成很多傳統(tǒng)測量方法難以完成的測量任務(wù),如懸崖峭壁和湍急河流等難以接觸、不易抵達(dá)位置的相關(guān)測量任務(wù)。