轻小型激光雷达在铁路勘测中的应用研究

李平苍

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

目前，铁路勘察项目的航空摄影多采用机载激光雷达扫描仪或大幅面数码航摄仪，但该两类航摄仪对搭载的飞行平台要求较高(一般为“运5 ”、“运12”、塞斯纳208等大型运输机)，航空摄影作业时，受空域和天气影响较大，并且只能在专用机场起降。一般铁路项目从空域申请到航飞作业完成需要两个月左右的时间，航飞作业周期较长。对于一些小型铁路项目，航飞批文办理周期过长成为制约项目按期完成的关键因素。有必要针对其勘测周期短、航飞工作量小的特点，研究一套快速获取航飞数据的方案，满足小型铁路项目勘测周期短的要求。另外，既有铁路测绘多为上线作业，工作效率较低，安全风险较大，且需获得铁路管理部门的批准，给既有铁路测绘工作带来很大困难。因此，轻小型激光雷达在既有铁路测绘领域有很好的应用前景。

近几年出现的轻小型激光雷达扫描仪具有重量轻、体形小，可以搭载于三角翼、小型固定翼飞机甚至无人机上，无需专用机场，起降灵活，飞行高度低，受天气和空域影响小，可飞行天数多等优点，可低空飞行，获取高精度、足够密度的激光点云，适合短小铁路项目工期短的特点。

轻小型激光雷达在电力行业有过一些应用的案例，主要用于地形图测绘、电力线巡检等方面，对于精度的要求不是很高，平面和高程精度一般为20～30 cm。既有铁路测绘对精度要求较高，激光雷达以往的作业模式无法满足精度要求，如何将激光点云精度提高到5 cm以内还没有成功的应用案例。以下通过对轻小型激光雷达技术在铁路勘测项目不同阶段的应用试验，研究其技术作业流程和精度控制方案。

1 轻小型激光雷达系统的构成与特点

轻小型激光雷达系统由激光扫描仪、GNSS/IMU惯性导航系统(POS系统)、数码相机、系统控制及数据存储组件等组成。激光扫描仪通过发射激光获取地面三维点云坐标信息；POS系统能够实时记录设备在空中的准确位置姿态，数码相机可以获取地面的影像信息。

轻小型激光雷达系统体型小、重量轻(重量从几公斤到二十公斤不等)。对搭载飞行器要求低(可以搭载于动力三角翼、小型固定翼飞机、多旋翼无人机等小型飞行器)，操作灵活方便，适合于低空小范围的项目作业(如图1所示)。

图1 轻小型激光雷达系统

2 轻小型激光雷达系统的优势分析

2.1 使用方便

相较于大型机载激光雷达系统，轻小型激光雷达系统体形小、重量轻，搭载于小型飞行器上就可以完成数据获取，执行任务时不需要专门机场，起降灵活，转场方便，受机场、航线影响小。

2.2 空域申请简单

传统机载激光雷达设备执行航飞任务时需要搭载于大型运输机上，其航飞高度一般在600 m以上，空域审批需要15～30 d。而轻小型激光雷达航飞高度一般都在500 m以下，对航线影响小，空域审批一般仅需2～3 d。

2.3 有效航飞天数多

搭载小型激光雷达的小型飞行器飞行高度较低，受天气影响较小，可以在阴天及能见度较高的雾霾天气下飞行并获取满足项目要求的数据，甚至可以在多云的天气下进行云下飞行。总体来说，与大型航摄设备相比，可开展航飞作业的有效天数多，便于在较短的时间内完成航飞作业。

3 轻小型激光雷达在铁路勘测中的适用性分析

3.1 适合项目补飞

铁路勘察项目一般会在初测前利用大幅面数码航摄仪进行大范围的航空摄影，航飞宽度一般为线路两侧各3 km，主要是完成铁路沿线1∶10 000比例地形图和1∶2 000比例地形图，可满足铁路项目可行性研究的需求。随着方案的稳定，在项目定测时，再组织一次机载激光雷达航飞，航飞宽度一般为线路两侧各500 m，主要进行铁路定测时横断面、工点地形和部分专项测绘工作，满足铁路初步设计和BIM应用的需要。

无论是初测还是定测阶段，随着现场调查的深入和方案的优化，方案局部调整出航带的现象时有发生，多发生在中检前后。此时临近项目验收，时间非常紧张。从时间和费用上考虑，都不宜再次组织大飞机进场补飞。而人工测量投入大、效率低，无法满足工期需要。轻小型激光雷达操作简便、携带方便，批文办理周期短，能够快速获取数据，非常适合项目补飞工作。

3.2 适合短小项目航飞

在铁路勘察项目中，经常会遇到一些十几公里，几十公里长的专用线、联络线等短小铁路项目。该类项目初定测工期短，大飞机航飞无法满足项目的工期要求；另外，由于航飞面积小，测线少，调机和协调费用将成为整个航飞项目的主要费用，造成航飞单价过高。

轻小型激光雷达批文申请简单，无调机费用，航飞操作灵活，非常适合短小项目的航飞工作，不仅能节省费用，还能大幅缩短航飞周期。

3.3 解决既有铁路上线难问题

测绘人员在既有铁路线上进行相关的测量工作，需要经过审批方可上线，还需要按要求配备大量的防护人员，高速铁路上线开展测量工作的时间只能是列车停运的天窗时间(1：00～4：00)，作业时间非常短。利用无人机搭载轻小型激光雷达低空飞行，获取足够密的激光点云数据，将大部分既有铁路上线测量工作由外业转为内业完成，不仅提高了工作效率，还大幅降低了上线测量的安全风险。

4 轻小型激光雷达在铁路项目中的应用

4.1 北方某铁路初测项目

该铁路处于平原地区，全长568 km。2016年初，利用大幅面数码航摄仪DMC II 230进行了全线航空摄影(影像地面分辨率优于0.2 m)，完成了全线的1∶10 000和1∶2 000比例地形图测绘。由于方案调整，有两处共计70 km线路出了既有航带。对于70 km的补飞工作量，如果采用大飞机搭载DMC II 230数码航摄仪进行补飞，不仅费用昂贵，而且时间很难保证。故采用小型的固定翼飞机搭载RIEGL VUX-1小型激光雷达进行补飞，航飞高度约为350 m(由于项目紧急，在阴天情况下进行了航飞作业)。获得了高精度的数字高程模型(DEM)；利用摄影测量软件制作了铁路沿线数字正射影像图(DOM)。利用DEM、DOM完成了1∶2 000比例地形图，保证了铁路初测工作的顺利开展。

4.2 南方某铁路定测

该铁路位于南方山区，全长76 km，测区地形复杂，植被茂密，给铁路定测工作带来较大困难。采用动力三角翼搭载HawKScan HS-1200小型激光雷达进行航飞作业，航飞高度约为450 m，获取了测区的激光点云和影像。本项目共设计86条航线(总长682 km)，一周时间内，完成了航飞作业。利用航飞数据对既有的1∶2 000比例地形图进行了修测，完成了全线定测横断面和工点地形的测绘，影像和激光点云如图2所示。

图2 影像与点云对照

测区属于高山地区且植被茂密，为检核雷达数据精度，在现场实测了大量高程点，对激光点云的精度进行了统计分析，结果如表1和图3所示。

表1 激光点高程精度统计

图3 差值分布

对激光点云、影像及现场数据进行了分析，差值大于1.0 m的点位均在植被非常茂密的地方(植被茂密致使打在地面上的激光点较少，数模精度低)；差值在0.5～1.0 m的点位多在植被茂密区或陡坎缺点处；差值在0.5～0.3 m的点位多位于陡坎处。

4.3 某铁路枢纽既有线测绘

为研究某枢纽铁路线引入的问题，需对枢纽内长20 km的既有铁路线进行平面测绘、中平测量、横断面测绘等工作。由于上线申请一直未获批，无法上线开展既有线测绘工作。经过充分研究，采用八旋翼无人机搭载LiAir Pro小型激光雷达对测区进行了高密度激光点云数据获取。相对航高控制点在50～100 m，激光点云密度不低于240点/m2。考虑铁路运营安全，航线布设于铁路线两侧，距离铁路外轨距离不少于20 m，以避免无人机掉在铁路线上。获取的铁路沿线密集的激光点云如图4和图5所示。

图4 激光点云(俯视)

图5 激光点云截面

为了提高激光雷达点的平面和高程精度，航飞时，地面基站不少于两个，无人机离其中一个基站的距离不超过10 km。同时，在测区内沿着铁路线方向，在铁路两侧每2 km各布设一对“米”字形支架和一对“九宫格”地面标志。“米”字形支架为激光雷达平面检测装置，需架设于GPS控制点上，其目的是通过该装置精确提取出目标点的中心位置，作为激光点云平面改正的控制点；在平坦地面上布设的“九宫格”地面标志，需要采用不低于四等水准测量方式测出每个“九宫格”地面标志点的高程，通过计算“九宫格”水准面和激光点高程面差值达到改正激光点云高程误差的目的。通过以上的改正，可以大幅提高激光点的平面和高程精度(如图6、图7所示)。

图6 “米”字形支架

图7 九宫格标志

利用高精度的激光点云提取出轨顶中心位置，拟合出铁路中心三维线。线路上任意一点的三维坐标点位中误差可以控制在5 cm以内，可以完成平面测绘、横断面测量和部分中平测量工作(中平测量误差略超出规范要求，还不能完全采用该方法进行中平测量)，减少上线测量工作量70%以上，提高了工作效率。激光点精度统计如图8、图9所示。

图8 平面精度折线

图9 高程精度折线

5 结论

轻小型激光雷达可以方便地搭载于三角翼、无人机等小型飞行器上，无需专用机场，起降更灵活，空域申请周期可以缩短80%以上，受空域和天气影响较小，能够快速开展航飞作业，适合铁路项目初测阶段1∶10 000和1∶2 000比例地形图测绘，定测阶段横断面、工点地形和专项测绘等工作。利用无人机激光雷达获取铁路沿线高密度的激光点云数据，通过误差改正，可以满足既有铁路平面测绘、断面测量以及部分中平测量等工作，大幅减少上线测量时间，降低了既有铁路上线难带来的影响。