铁路勘测中使用机载激光雷达测绘横断面相关问题的探讨

高文峰 王长进

(铁道第三勘察设计院集团有限公司, 天津 300251)

近年来,随着GPS定位技术、IMU惯性导航技术、激光测距技术及精密制造技术的发展,机载激光雷达系统在工艺制造水平和应用精度上都大幅提高,使得机载激光雷达技术(后文简称LIDAR)的应用越来越广泛。2009年初,铁道第三勘察设计院集团有限公司率先在路内引进了机载激光雷达系统,并结合多个勘察设计项目中进行了应用研究,取得了良好的经济效益和社会效益。利用LIDAR获取的三维点云数据,通过对其进行分类获取地面精细DEM,从而切绘出横断面是LIDAR技术的一个重要应用。但现实地形情况千差万别,在生产过程中会遇到各种各样的问题,本文将结合具体工程事例,通过对LIDAR穿透植被能力的分析,来讨论利用LIDAR技术生产断面方面存在的问题及其解决方案。

1 LIDAR数据获取情况及应用LIDAR的主要问题

某铁路勘察设计项目地处中国中南部,该地区地形起伏很大,很多地方相对高差超过1 000 m,且天气状况较差,要想获得理想的点云数据难度非常大。根据地形特点及生产实际情况,采用Leica ALS60机载激光雷达设备,飞行平台为运5固定翼飞机,设计的点云平均点间距为0.7～1.0 m,航线宽度为2 km,完成有效航线里程2 000余km,航飞面积约1 800 km2。

应用点云数据生产断面面临两个主要的难题,一是点云的不连续性,在关键变坡点处不一定有数据,从而导致误差；二是点云分类的准确性,因分类误差导致断面精度的降低。该项目所经地区山高林密,激光点穿透能力有限,点云滤波、断面生产和DEM制作中存在很多的问题需要解决。

2 机载激光雷达系统穿透植被能力的分析

获取正确、一定密度的地面激光点云是后续应用的基础。因此,为了分析后面出现的问题,首先要对机载激光雷达系统穿透植被的能力进行具体的分析。激光穿透植被的方法是“见缝插针”,也就是说,只有在有空隙的地方,激光点才能打到地面上,这与微波的穿透方法不同。在植被稀疏或者不太茂密的地方,会有很多的激光点打到地面,这样通过横断面可以很容易准确的判断出地形趋势。但是,如果植被非常茂密,只有极少数激光点能穿透植被,这种点云数据无法正确的反映实际的地形特征,基于这种数据无法得到正确的断面。图1为该项目部分段落获取的3月份和7月份的LIDAR数据(两次的设计参数都是一样的),3月份该地区的植被树叶相对比较稀疏,7月份相对比较茂密。灰色点云表示7月份点云数据,黑色点表示3月份点云数据。

图1 部分段落点云构成

对两个时期同一地区的点云数据进行分析,以及对植被覆盖区与植被稀少区点云数据的对比,可以清楚的看到机载激光雷达穿透植被的能力。其中3月份因植被枝叶稀疏,穿透点较多(实际统计为50％),断面能有效的表达地形特征,7月份因植被枝叶茂密,穿透点较少(实际统计为15％,部分地区不到5％),拟合的地面精度较差。因此，南方植被茂密期且被茂密植被覆盖的区域,要选择合适的季节进行航飞,才能获取理想的数据。

3 不同地形条件下测绘横断面的策略

3.1 裸露地表

地面裸露地区的外业中桩高程和LIDAR高程配准精度很高,如图2所示。这种情况下最大的问题在于地形突变LIDAR点的缺少和分类错误,但经过仔细的分析和相应的检查,能获得较好的结果,这是比较理想的地形,不再赘述。

图2 裸露地表高程匹配

3.2 局部植被茂密地区

图3 局部植被茂密高程匹配

在茂密植被下,因LIDAR高程点较少,用拟合的高程和外业中桩高程进行比较,误差较大。如图3所示,黑色方框处根据断面推测为边坡,无LIDAR点,误差可达-2.48 m。而该点的两侧有裸露地面,可以很准确的判断该点的高程是否正确。这种情况下的断面相对好处理,因为周围为平地,只需要在中桩点处添加一高程点即可,即使不加点,该点采用外业中桩高程也可获得较高的精度。

3.3 区域植被茂密

植被茂密区域的情况比较复杂,因为落在地面上的点要远远少于落在树上的点,用落在地面上的个别点不能正确的拟合地形表面,而用内差点的方法工作量会很大。图4中整个断面范围内的植被相对茂密,地面上的高程点稀少,造成与外业中桩高程比较误差较大。

图4 区域植被茂密高程匹配

3.4 植被茂密地区测绘地形横断面

植被茂密地区测绘地形横断面，我们分以下几种情况讨论。

(1)在横断面或者地形图范围内均有茂密植被,且大部分点云均落在灌木丛顶部,灌木丛顶部的点云相对地面可以认为是平行的。这种情况下,我们可以将灌木丛顶部的点云数据当作地面点,平移改正灌木丛顶部与地面(外业中桩可以认为是地面点)之间的高差后生产横断面和地形图。

(2)在横断面或者地形图范围内只有部分段落被茂密植被覆盖,这种情况下改正是比较困难的,一种方案是不改正,直接以分类地面点做断面,这种方法的结果是一个断面上或者一块地形图范围内精度不一致；或是改正误差的一半,这种方法的结果是本来正确的地面高程会因为改正变得误差更大,但整个断面上的误差相对均匀。另一种方案是根据中桩点附近的点云情况选择,如果中桩点附近有正确的地面点云数据,就采用原始分类数据生产断面,如果中桩点附近没有正确的点云数据,则修正点云高程,这种方法会使中桩附近的一段范围内的断面精度有所提高,远离中桩的断面精度降低。第三种方案是只修改植被覆盖区域的点云,这种方法会比较繁琐,但精度较高。

(3)在横断面或者地形图范围内有茂密植被,但点云分布非常离散,无法判断与地面平行点云的高度。这种情况下地面点会稍微多点,建议直接采用分类地面点构网建模。

4 结束语

结合实际铁路勘测生产项目,针对利用机载激光雷达数据测绘横断面过程中遇到的一些具体问题进行了探讨,望能给同行带来借鉴价值。鉴于篇幅和作者应用的局限性,不可能将所有情况一一详细讨论,如影像辅助分类、精度分析、数据检查等。另外,不同的问题其具体的解决方案也各有不同,例如在部分植被茂密区利用影像辅助分类也可以取得良好的效果,而有些地区则效果不好,需要根据具体的情况进行分析。

[1]张小红.机载激光雷达测量技术理论与方法[M].武汉：武汉大学出版社,2007