高分辨率卫星影像数据与LIDAR数据在铁路勘测设计中的深度应用

2012-02-14周云

铁道勘察 2012年1期

周云

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

1 概述

目前，中国陆地工程项目勘测设计基础资料之一的空间数据获取方式主要有以下三个途径:①既有资料获取(既有地图及矢量化地图、国家三角点、GPS点、水准点等);②对观测数据进行处理获取(光学航空摄影数据、LIDAR(激光雷达)数据、卫星数据等);③地面实测数据(各种地图、控制点测绘、地面激光扫描测绘等)。以上三种空间数据的获取方式各有特点、优势，在现阶段各自应用于各工程项目中。相较于其他传统的空间数据获取方式，卫星影像数据(大范围)和三维激光扫描系统(小范围)是近几年研究、开发、应用最为活跃，并在各自优势上获得巨大成功的重点方向。目前，卫星影像数据与LIDAR数据也在铁路勘测中得到一定的应用，但远没有达到适应最新测绘科技发展，进而开辟新的铁路勘测设计工艺流程的地步，实际上，当高分辨率商业卫星影像数据价格逐渐走低，分辨率越来越高的时候(这是必然的趋势)，将卫星影像数据和LIDAR数据联合使用于铁路勘测设计之中，并逐步取代现行勘测设计中的一些工艺流程或者工法是完全可能、可行的。

2 卫星影像与LIDAR在铁路勘测中的应用现状

铁路勘测设计单位卫星影像使用状况大致如下:一方面，所采用的卫星影像分辨率普遍较低，由于资料不全、现势性差，以及时间紧迫等问题，导致更新后的地图不能完全满足要求，某种程度上会导致方案预可研质量不高;另一方面，由于无规范可循，对卫星影像如何采用、应用程度等问题没有要求，导致经费预算，各专业卫星影像的选择(品种、分辨率)、获取方式等方面随意性强。

铁路勘测设计单位使用LIDAR状况大致如下:目前，几家铁路综合设计院都引进了LIDAR设备，却正好遇上了铁路市场萧条，没有充分发挥LIDAR应有的作用，并普遍存在以下问题:①没有理清如何经济、高效使用LIDAR设备的方式方法，面对较多又处在频繁改动的线路方案，要么LIDAR设备必须频繁地上天飞行，实现很困难;要么LIDAR设备大面积飞行，但飞行工作量很大，至少是光学航空相机飞行工作量的2倍以上，实施起来很不划算;②首先用光学航空相机实施尽可能大范围的航空摄影，用最新的1：2000地形图来完成线路方案初测、方案研究，当线路方案基本稳定后，再用LIDAR设备对稳定方案实施小范围、高精度的飞行，完成定测、初步设计、补充定测。这种方法较好地发挥了光学航空相机覆盖范围大、LIDAR飞行数据精度高的优势，但由于存在两次飞行，将产生较大的航空摄影飞行费用，时间上也很难保证项目进度要求。

卫星影像数据、激光雷达数据已经开始大规模应用于我国的工程建设之中，铁路勘测设计同样需要更新观念，抓住时机，大量、充分利用新的、高精度的对地观测数据提高我国铁路勘测设计水平。另一方面，使用最新测绘科技成果以实现节约开支、减员增效并大幅度减轻员工野外劳动强度。实施方案:①以卫星影像完成大范围选线设计(以卫星影像数据完成预可研、并以目前可以得到的高分辨率卫星影像测绘1：5000比例尺地形图完成初测及方案可行性研究);②对定测方案实施超低空飞行，以高密度、高精度的LIDAR激光点云数据、高分辨率数码影像数据，完成线路1：2000数字地图、线路纵横断面、工点图内业测量(完成定测、初步设计、补充定测、施工图设计)。下面分别就上面的两个目标作可行性分析。

3 技术可行性分析

3.1 高分辨率卫星影像数据应用于铁路勘测设计

随着新的航天飞行平台、传感器的不断进步，航天对地观测技术已经取得并将继续取得突飞猛进的发展，卫星影像数据分辨率的大幅度提高，已经可以承担完成测绘工程用大比例尺地形图的任务。众所周知，目前世界上卫星(主要指军用间谍卫星)影像数据的地面分辨已经能达到惊人的0.1m以下，而商业卫星的地面分辨率也已经达到令人满意的0.5m左右。例如，著名的美国 DG(DIGITAL GLOBE)公司的QUICKBIRD卫星地面分辨率已达 0.6 m，WORLDVIEW-1、-2卫星已达0.5m。根据我国的国家测绘标准，0.5m地面分辨率测绘国家1：10000、1：5000比例尺地形图是完全满足要求的。鉴于卫星影像的获取方式都是以推扫式扫描来获得摄影带，卫星公司通过一些技术处理，使得用户可从卫星公司或者代理商那里直接买到高分辨率卫星影像立体像对，避免了单景卫星照片测图精度较差的不利因素，不需要对卫星影像进行额外处理或者采用新的方法，仅需要现有测图工具上装一个卫星影像测图模块(国内研制有大量这方面的软件)，就能直接在各大设计院大量使用的JX4或者VIRTUZO全数字摄影测量工作站上立体测绘相应比例尺地形图。为此，根据获得的高分辨率卫星影像，能方便测绘1：1万比例尺地形图，利用0.4m、0.5m或者0.6m高分辨率卫星资料完成1：5000比例尺地形图测绘。根据国内有关公开发表的文章及实验数据，如果加强相应外业控制，0.4～0.6m高分辨率卫星影像资料还能测绘1：2000比例尺地形图。

有关这方面的理论研究与工程实践，国内众多专家学者、特别是工程实践一线工程技术人员完成了大量相关文章的撰写和生产实验，例如中交第二公路勘察设计研究院有限公司空间信息与数字交通技术研究所为此做了许多开拓性的应用贡献，在西藏、青海、新疆等无图区公路勘测设计项目上，高分辨率卫星影像得到了大量成功应用;此外，国家及诸多省级测绘局相关生产单位也相应完成了大量的生产项目。实践证明，不必实施大比例尺航空摄影，利用高分辨率卫星影像资料完成线路勘测设计预可研、初测、可研是完全可行的(符合铁路建设项目TB10504—2007行业标准要求，但目前各单位很少使用1：5000图，这是观念与习惯问题，如果非要1：2000图来表示，此阶段可以用卫星影像资料以1：5000精度成1：2000图来实施作业)。同时，高分辨率卫星影像的获得也为地质遥感判释及其他专业提供了巨大的应用空间(例如高分辨率卫星影像立体像对将有助于精准遥感判释并加快地质专业生产进度，而不必等到LIDAR飞行完毕得到数码像片来实施大比例尺影像判释等)。

3.2 LIDAR激光数据(包括影像数据)应用于勘测设计

机载激光三维扫描系统LIDAR的出现，可以很方便地得到高精度的DEM数据，特别是惯性导航IMU和全球定位GPS集成的定姿、定位系统(POS系统)大量应用于LIDAR飞行后，不仅外业工作量大量减少，而且使得线路1：2000图制作、定测阶段纵横断面测量、工点地形图测量完全能实现全部内业化，生产效率得到提高，经济成本得以降低。同时，由于其他原因发生的线路局部改线而超出了LIDAR飞行范围，可以利用上面用到的高分辨率卫片测绘1：2000比例尺地形图予以补充完成。

3.3 高分辨率卫星影像与LIDAR数据的联合使用

通过上面的技术分析可知，用现有高分辨率商业卫星资料制作铁路勘测用1：10000，特别是1：5000甚至1：2000比例尺地形图是完全可行并被实践证明了的成熟工艺流程，完全能满足铁路预可研、可研阶段设计用图的需要，特别在西部等特别困难地区，还可以仅以卫星影像资料测绘1：2000比例尺地形图，满足初步设计的要求。

鉴于此，如属竞标项目，根据项目的走向，可从卫星公司或者代理商那里购买存档现势性高、相应分辨率的卫星影像资料，全面修测1：10000、1：50000地形图，以提高中标概率(现势性高的资料获取在城市特别是大城市完全可以实现，在新建铁路中，困难可能要大些，如果愿意提前投入，均可直接提前订购高分辨率卫星影像);如属于非竞标项目，或者虽有竞标但志在必得的项目中，可直接向卫星公司或者代理商订购工程项目区域最高分辨率卫星影像资料，开展1：5000比例尺地形图的制作，一方面将既有1：10000、1：50000地形图与最新1：5000地形图相结合，来完成高质量的预可研方案，将节约可研阶段的大量外业工作量;另一方面，完成的1：5000地形图，可直接用于可研阶段的线路勘测设计之中，较好地解决了初测阶段的地形图现势性问题，使初测阶段的工作有了较好的针对性，减少了大量的方案比选外业勘测工作量。同时，由于1：5000比例尺地形图有较大的覆盖范围，对于缩短初测周期，提高设计线路的稳定性，减少比选方案等有极大的帮助。

在定测阶段，由于线路方案已趋稳定，此时可利用LIDAR设备(初测阶段一般已完成LIDAR飞行的所有手续及飞机等设备的调动)对稳定的线路方案实施沿中线的LIDAR飞行(例如以ALS60、RCD30，飞行相对航高700m左右，覆盖宽度800m左右，地面影像分辨率10 cm左右)。由于线路方案已基本稳定，800m的覆盖宽度能满足现阶段1：2000比例尺地形图成图宽度需要。对于可能产生的局部方案变动，只要稍加外业工作量，便可利用高分辨率卫星影像来完成1：2000图的测绘。另外，激光点密度(4个/m左右)及影像数据(地面分辨率优于0.1m)完全可满足1：500～1：1000比例尺地形图对精度的要求，通过严格的作业流程，DEM数据中误差可达±0.1m左右，在平原地区新建铁路、既有公路、既有铁路改造时精度会更好。同样，对于可能的局部方案变动产生的外业工作量可上外业队在很短时间内完成。

由于飞行高度的降低(比光学航空相机降低一半的相对航高)，不仅获得的LIDAR数据精度高，飞行环境也大为改善，可有效地缩短飞行周期，为后面内业制图赢得时间。由于全部是单航线飞行，飞行工作量相应减少，避免了航空飞行卡脖子事情的出现。由于有了高精度的DEM数据，可直接在DEM上截取线路纵、横断面，减少甚至完全不要做外业纵、横断面测量，精度上有保证，而且还能节省大量的外业勘测经费，达到减员增效的作用。由于有了高精度的DEM数据及实现了资料共享，使得铁路勘测设计一体化真正成为可能，在设计阶段，一个人便可在计算机上完成大量初步设计及施工设计用图。

4 经济可行性分析

以200 km线路工程，worldview 0.5m分辨率卫片，RC-30黑白胶片航空摄影、AlS60、LIDAR设备等为基础。

200 km的铁路新线勘测设计工程以各种方式完成从预可研到施工图设计需要的勘测经费大约如下。

①使用光学航空相机(如 Leica RC-30)时:约195万元左右，完成任务难易程度:较难。

②单独使用LIDAR设备(如Leica ALS60)时:约220万元左右，完成任务难易程度:难。

③用光学航空相机(如Leica RC-30)结合LIDAR设备时:约220万元左右;完成任务难易程度:难

④使用卫星影像与LIDAR设备时:约190万元左右;完成任务难易程度:较难。

与传统的工艺流程相比较，表面上，一开始购买卫星影像时花的钱较多，但由于避免了各专业重复购买卫星影像而相对减少了费用，初测外业工作量较少了费用，定测外业工作量较少了费用(实际上以LIDAR内业数据汲取断面时，费用会更少)，故将高分辨率卫星影像、LIDAR数据联合使用而形成的铁路勘测设计工艺流程其费用比其他工艺流程相当甚至更低，但难易程度降低，能最大限度满足勘测设计要求，发挥高新技术力量，减少大量外业人员投入。

5 时间可行性分析

我们这里所说的时间一是资料的现势性，另一个是资料的获取速度。从总的时间上来讲，对于铁路等长大带状面积目标来说，一般要调商业卫星专门摄影来获取最新资料，从申请到获得资料一般需要等几个星期到一、二个月时间不等(卫星对客户要求的目标进行照相，其时间长短主要取决于线路的走向与天气情况而无空中管制影响);这样的时间基本等同于传统的航空摄影时间(从单位行文，大军区审批，空军民航空域审批，等待天气飞行等)基本相当。特别在南方雨季，由于卫星照相不受空域限制，能抓住雨季每一个有限的晴好天气而略具优势。同时，由于卫星影像单景影像覆盖面大，例如对于worldview卫星来说，单景幅宽为17 km，即使卫星公司按5 km×5 km的面积来裁切，这已经是一个相当宽的范围，基本上能包含贯通方案以外的所有比较方案，也就是说购买一次，能满足全部的制图范围。即使当方案变化较大时，也不需要重新航空摄影或者必须购买既有航空摄影资料来完成变化方案的制图，而是直接从卫星公司购买存档资料。对于不需要竞标的项目，可以提前调卫星对项目摄影，能争取大量的时间;对于需要竞标的单位，可以与卫星公司或者代理商建立一个积极、灵活的机制(第一必须是卫星公司以外的第三方掌握数据，第二，就是新的勘测方法必须成为设计单位的共识)，提前调卫星对目标进行摄影，在预可研阶段完成或者说开标明确中标单位后，由中标单位支付费用。这样，一方面争取了时间，另一方面也不存在让没中标的单位产生不必要的额外大量费用。卫星影像的内业处理应该更具优势，立体相像对少，内、外业工作量都会相应减少(0.5m分辨率worldview卫星，200 km大概只有40个立体相对)。

由于线路方案稳定，摄影航线减少，飞行高度降低，LIDAR飞行比常规飞行要减少至少50%的时间。

LIDAR内、外业工作量与常规胶片航空摄影测量内外业所用时间短。

定测以及补充定测阶段的大量外业工作是贯通方案的纵、横断面测量、工点地形图测绘，常规方法是必须动用大量外业勘测队伍实施野外测量来获得，精度低、费用大、效率不高。有了LIDAR数据以及由此而生产出高精度的DEM数据后，纵横断面测量、工点地形图完全可以在室内完成。精度高，费用低，效率将是外业实测的好几倍。