基于机载激光雷达测量技术的铁路勘测方法



基于机载激光雷达测量技术的铁路勘测方法

朱雪峰

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

一、引言

近年来，我国掀起了铁路建设高潮，建成了一批时速250和350 km/h的高速铁路。在今后的一段时间里，铁路建设任务将十分繁重。铁路工程勘测是勘察设计流程的首要工序。目前，铁路勘测主要采用航空摄影测量方法测绘1∶2000地形图，采用GPS技术、全站仪及水准测量方法进行线路测量。该方法存在的主要问题是工作效率较低，在险、难勘测工程环境下采用GPS和全站仪进行线路测量给人员安全和勘测质量带来较大隐患。

随着我国铁路建设的快速发展，如何快速、准确地获取铁路线路走廊带的勘测数据已经成为铁路建设者必须面临的技术难题。机载激光雷达技术作为一种先进、快速、准确的测量方法，已经成为未来铁路勘测技术的发展方向。

二、基于机载激光雷达测量技术的铁路勘测方法

铁路线路走廊带的三维地理信息的精确获取是铁路勘察设计的重要前提。基于机载激光雷达获取密集的激光点云和高分辨率数码影像，可生产铁路设计所需的3D数字产品(DLG、DOM、DEM)和线路纵、横断面，从而安全、快速、高精度地服务于铁路勘察。

1. 铁路机载激光扫描方案

(1) 机载激光雷达数据获取流程

针对铁路勘测设计的机载激光雷达数据获取流程如下：

1) 航摄设计：根据线路方案及其稳定性，确定航摄宽度。铁路机载激光雷达点云密度应优于1点/m2，影像地面分辨率应优于0.2 m。

2) 空域申请：准备航空摄影空域申请资料，办理航空摄影批文及调机手续。

3) 收集控制成果：收集铁路勘测的基础控制网资料，在航飞前至少要完成CP0控制网，最好CP1控制网建立完毕。

4) 航飞实施：航飞时，在基础控制网上按50 km间隔同步架设GPS地面基站，进行数据采集。

5) 数据预处理与检查：航飞完成后应及时对获取的数据进行检查，重点检查POS数据、点云和影像的质量。

(2) 密林测区机载激光雷达采集方法

密林测区机载激光雷达穿透性差，一直是制约机载激光雷达在该类测区应用的瓶颈。为了获取高密度的地面点云，可采用具有多脉冲功能的机载激光雷达设备。同时，为进一步加大点云密度，可每条航线飞行两次，通过两次航飞数据互补，获取密林下的高密度地面激光点，从而保证测量精度。

为了保证两次航飞数据的配准精度，同时解决密林测区明显地物少、像控点测量难的问题。在航飞前，可在测区人工布设控制标志，布设的同时完成测量工作。标志布设在硬质的平地，该标志可作为影像控制点，同时可作为激光点云的高程控制点。布设标志后，航飞完成后不必再出外控，可立即进行数据生产，有效地缩短了工期。

2. 机载激光雷达与铁路设计协同

当LiDAR航飞及数据处理完成后即可得到原始的激光点云、数码影像。基于原始的激光点云和数码影像，采用专业的激光雷达数据处理软件(如Terrasolid)即可快速地生产数字高程模型、数字正射影像和数字地形图。

铁路勘测设计除了需要常规的3D数字产品外，还需要大量的纵、横断面。目前断面测量主要依靠全站仪、水准仪和GPS，利用这些方法生成断面需要耗费大量人力、物力，效率很低。目前相关单位已经应用机载激光雷达技术生产断面，通常其获取过程是：先利用激光点云生成数字高程模型，再利用数字高程模型生成断面信息。但是生成数字高程模型的过程损失了原始的激光点云信息，降低了后续成果的精度。本文直接利用原始激光点云信息生产断面，并通过人工可视化核查断面成果，既保证了断面的高精度，又保证了断面的高可靠性。算法如下：①给定线路方案文件，生成断面剖线；②提取出到横断面剖线平面距离小于3 m的原始地面激光点；③对提取出的激光点构三角网；④求断面剖线与三角网的交点，并计算出交点高程；⑤将原始激光点、数字正射影像和生成的断面线展绘在一起，通过人工可视化核查、编辑断面线；⑥根据需要，采用改进的道格拉斯-皮克法简化断面线；⑦输出断面线。如图1所示。

图1　人工辅助编辑断面

三、应用效果

武襄十城际铁路是武汉至西安客运专线的重要组成部分，总投资约527.5亿元。全线共设14个车站，设计时速350 km/h。2014年在该项目的勘察设计中，笔者所在单位采用徕卡ALS60机载激光雷达系统对武襄十城际铁路带状测区进行了航飞数据采集。

1. 航摄设计与采集

(1) 孝感东至谷城段航摄设计

孝感东至谷城段属平原地形，以1500 m的高度进行飞行，扫描角为53°。激光点云发射密度为1.81点/m2，激光带宽为1495 m，航线61条，航线总里程805.37 km。

(2) 谷城至十堰郊区段航摄设计

谷城至十堰郊区段受地形起伏影响，ALS60系统在多脉冲模式下，飞行高度不能低于2200 m。设计飞行高度2200 m，扫描角设置为40°。激光点云发射密度为1.29点/m2，激光带宽为1601 m。谷城至十堰段属山区且植被特别茂密，是本项目的难点。而且受地形起伏和仪器限制，飞机不能飞得太低，导致点云密度要远低于平原区域。为了进一步保证精度，需要对该区域进行重复飞行，加大点云密度，从而提高激光穿透植被的概率和精度。

按照上述设计，笔者所在单位采用运与飞机作为运载平台，执行了航飞任务，共航飞9个架次，采集激光雷达数据1800 km2。

2. 精度验证

航飞采集完成后，对获取的数据进行了数据处理。为了验证激光雷达系统的精度，在测区采用GPS快速静态作业模式共测量了176个控制点。利用测区控制点进行了高程精度检查，精度统计见表1。

表1　测区控制点高程精度验证统计表　m

3. 工作内容

在本项目中，基于机载激光雷达测量技术分别生产了数字高程模型、数字正射影像、1∶2000地形图、桥隧工点图、横断面和纵断面，工作内容统计情况见表2。

表2　完成工作内容统计表

相比于传统航空摄影测量加人工野外地面测量的模式，基于机载激光雷达的铁路勘测方法可有效缩短勘测周期，降低劳动强度，提高铁路勘察设计的自动化程度。

四、结论

本文提出了基于机载激光雷达测量技术的铁路勘测方法，实现了对铁路线路走廊带的三维地理信息的精确获取，满足了铁路勘测的要求。通过武襄十城际铁路工程实践，得出以下结论：

1) 机载激光雷达可生产铁路设计所需的数字高程模型、数字正射影像、1∶2000地形图、桥隧工点图、横断面和纵断面，满足铁路勘测的要求，可实现与铁路设计各专业高效协同。

2) 机载激光扫描测量大大提高了铁路勘察设计中地表精密空间信息的获取效率，节省了外业测量工作量，降低了劳动强度，提高了铁路勘察设计的自动化程度。

3) 在密林测区，采用多脉冲技术、重复航飞可提高激光雷达的穿透率，提高地面点的密度，保证测量精度。

(本专栏由徕卡测量系统和本刊编辑部共同主办)

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