机载LiDAR测量技术在潍莱高铁勘测中的应用

朱 磊 赵 菲 何 俊

(1.山东省国土测绘院，山东 济南 250102； 2.山东省地质环境监测总站，山东 济南 250014)



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机载LiDAR测量技术在潍莱高铁勘测中的应用

朱 磊1赵 菲2何 俊1

(1.山东省国土测绘院，山东 济南 250102； 2.山东省地质环境监测总站，山东 济南 250014)

以潍莱高铁勘测项目为例，对采用机载LiDAR技术获取铁路走廊带勘测数据进行了研究，介绍了利用LiDAR数据绘制带状地形图与断面图的技术，通过与航空摄影测量和常规测量技术进行对比分析，得出了有意义的结论，为今后同类工程提供参考。

机载LiDAR，高铁，点云数据，轨道线

0 引言

测绘是铁路建设的关键技术之一，它贯穿整个铁路建设过程，是工程顺利完工的必要保证。勘测设计阶段是测绘工作比较集中的时期，分为初测和定测两个不同的工序，其中，初测中的地形图测绘和定测中的断面测量工作量较大，以往采用全野外测量，外业工作量大，工作持续时间长。随着我国铁路建设事业的蓬勃发展，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LiDAR作为一门新兴的测量技术，集激光测距技术、全球定位技术、惯性测量技术和光谱成像技术于一身，可搭载于固定翼、直升机等多种航空飞行平台，快速获取精确的地面高程数据和高清晰影像数据，用于绘制带状地形图和生成断面图，服务于道路勘测设计。

本文以潍莱高铁勘测项目为例，对采用机载LiDAR技术获取铁路走廊带勘测数据以及利用LiDAR数据绘制带状地形图与断面图技术进行了研究，通过与航空摄影测量和常规测量技术进行对比分析，得出有益结论。

1 LiDAR数据获取与处理

1.1 项目背景

潍莱高铁西起济青高铁潍坊北站，经昌邑、平度，接入青荣城际铁路莱西北站，是山东省“三横”快速铁路网“中部通道”的重要组成部分。勘测区域呈带状分布，东西长约123 km，南北宽度为2 km～5 km。测区西部地形为潍北平原，平均海拔高度为10 m左右，东部属胶东丘陵，地势起伏在150 m以下，地势较为平坦。

1.2 技术路线

首先采用固定翼飞机搭载机载LiDAR系统对线路走廊带进行航空扫描，获取地面点云与影像数据；然后对获取的POS数据基于地面基站数据进行差分处理，生成包含坐标与姿态信息的轨迹线文件；最后，采用LMS软件对激光测距文件、轨迹线文件和检校参数进行联合解算，生成预处理点云数据。影像外方位元素则由曝光时间文件内插轨迹线文件生成。

点云数据包含地面高程信息，精度较立体测图高，密度大，DLG地貌图层中的高程点可直接从点云数据中提取，等高线由点云数据构建三角网自动生成。地形图采用立测法或DOM矢量化叠加高程点生成，断面图采用点云自动裁切生成，技术路线图如图1所示。

1.3 航线设计与数据获取

航摄系统为用加拿大Optech公司生产的Orion H300型机载LiDAR，集成CCD为8 000万像素的CS10000型框幅式相机，航摄平台采用运-12型通用运输机，主要航摄参数见表1。

表1 主要航摄参数表

参数数值飞行高度1500m飞行速度240km/h点云密度2．15点/m2点云间距0．68×0．68mGSD0．16m

根据勘测范围形状特点，航线东西方向敷设，共计18条航线，测线总长度为691 km，飞行时长为4.5 h。航摄范围、航线与地面基站(SDCORS)分布如图2所示。

1.4 轨迹线解算

POS系统采用Applanix公司POS AVTMAP50(OEM)，220通道GNSS系统，IMU记录频率为200 Hz，定位精度为0.05 m～0.30 m，侧滚角和俯仰角不超过0.005 deg，航偏角不大于0.008 deg。轨迹线解算采用随机软件POSPac MMS6.2，单基站紧密耦合算法，地面基站为SDCORS系统PIND(平度)站点，其数据采样率为1 s，距离航线最远端68 km，能够满足POS差分解算需求。经卡尔曼滤波估算，轨迹线平面位置中误差为2.3 cm，高程中误差为3.4 cm。

1.5 点云预处理

激光测距文件联合轨迹线文件和检校参数，采用LMS软件进行点云坐标解算，通过重叠航带间的同名面进行航带匹配运算，获得条带间精确匹配的预处理点云数据。

1.6 高程转换

点云数据获取与预处理基于WGS84坐标系，高程为大地高，而铁路勘测设计采用85高程系统，须将点云高程转换至正常高。大地高和正常高之间存在如下转换关系：

h=H-ζ。

山东省测绘基准体系优化升级工程完成的山东省似大地水准面模型，分辨率为2.5′×2.5′，外符合精度为1.8 cm，完整覆盖勘测区域，用于将点云高程由大地高转换至正常高。高程转换完成后，采用RTK采集地面点检核，点云高程中误差为10.6 cm。

2 基于LiDAR数据制作1∶2 000地形图

机载LiDAR点云和影像数据可以快速生成高精度数字高程模型(DEM)和数字正射影像图(DOM)，满足高速铁路三维设计需求。但初测阶段，仍须绘制带状地形图，用于铁路工程纸上定线和初步设计。

机载LiDAR同步获取点云数据与影像数据，可用于绘制大比例尺数字线划图，常用方法有两种，立体测图法和点云辅助DOM矢量化法。立测法是指对影像数据进行空三加密，然后根据立体像对进行立体测图。点云辅助DOM矢量化法流程是采用影像数据和点云数据快速生成DOM，基于DOM进行居民地、道路、水系、管线等地物要素矢量化，高程、等高线等地貌要素则采用点云生成。二者相比，后者工作量较小，对软硬件要求低，潍莱高铁项目采用点云辅助DOM矢量化法制作带状地形图。

在TerraSolid或Arcgis等软件中采用地面高程点构TIN，生成地面模型，自动提取等高线，经人工编辑修饰，可与立测的等高线很好吻合，精度能满足铁路勘测设计的需要。

高程点提取采用自动提取加人工干预方法。坝顶、十字路口等特征点高程采用人工提取，其他区域设计软件自动提取，高程点分布均匀，精度较高。

居民地、道路、水系、管线等地物要素对铁路方案设计有重大影响，必须准确绘出。一般情况下居民地、道路、水系等地物在DOM上都有清晰的轮廓，容易判识出来。管线中的地下输油、汽、水、电等管线须野外调绘后方可参照调绘位置进行描绘；地面上的电力和通讯线路在DOM上位置容易判读，但是要依据外业调绘确定电线杆之间的连接关系。当然，由于LiDAR点云数据对在电力线和通讯线上形成反射，在DSM影像上可以看清楚，也可以通过一地的算法进行矢量提取。

3 使用机载LiDAR技术开展线路定测

定测的主要任务是把初步设计中选定的中线测设到地面上去，然后沿测设线路进行纵断面和横断面测量，以提供更详细的地形资料供施工设计使用。根据规范要求，线路曲线每隔20 m，直线每隔50 m需要测绘一个横断面，横断面数量多，工作量大。断面主要作用是计算工程数量，断面测量精度直接影响工程量计算的准确性。断面测量常用方法有航空摄影测量法和全野外测量法，前者内业立测工作量大，平原地区高程精度难以满足断面测量精度要求，必须采取全野外高程控制点和大量实测的高程散点相结合，大大增加了外业人员的工作量。若采用全野外测量，断面数据靠人工野外实测，劳动强度大、效率低，在危险地区会对测量人员和仪器设备安全造成威胁。

机载LiDAR测量技术直接获得地面高程点三维坐标，高程精度高、点云密度大，可以提供高精度的DEM，采集断面较容易，精度也高，而且容易实现自动化。对于机载LiDAR数据建立的数字地面模型，根据已经设计完成的线路位置和设计要求，通过软件可以很容易的获取所需要横纵断面测量数据，这样可以节省大量的时间和人员，提高工作效率。

4 结语

采用机载LiDAR技术开展铁路勘测，具有航飞周期短，控制点测量大幅减少、点云数据处理自动化程度高，点云数据精度高，横断面可批量生产等优势。激光雷达技术采用主动激光测量，较常规摄影测量受阴影和太阳高度角影响小，对植被和雾霾具有一定的穿透性，相较于航空摄影方法对天气条件要求稍低，适航天气更多，有效缩短作业时间。

机载LiDAR勘测技术与全野外数字化测图技术相比具有工作效率高，内外业劳动强度低，数字化产品多样及属性信息丰富等优点，尤其在河流、山谷等危险勘测环境，由于机载LiDAR测量的非接触性，大大保障了勘测人员的人身与财产安全。作为一种先进、快速、准确的测量技术，机载LiDAR测量可广泛应用于铁路勘测领域。

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On application of onboard LiDAR measurement technique in high-speed Weifang-Laixi railway survey

Zhu Lei1Zhao Fei2He Jun1

(1.ShandongLandSurveyingandMappingInstitute,Jinan250102,China;2.ShandongGeologicalEnvironmentMonitoringStation,Jinan250014,China)

Taking Weifang-Laixi high-speed railway survey as the example, the paper researches the corridor zone of the railway with the onboard LiDAR technique, introduces the technique to map the topographic and section with LiDAR data, undertakes the comparative analysis of the aerial photography measurement and regular measurement, and achieves some beneficial conclusion, so as to provide some reference for similar projects.

onboard LiDAR, high-speed railway, point cloud data, railway

2017-04-13

朱 磊(1982- )，男，注册测绘师

1009-6825(2017)18-0195-02

P258

A