鐵路勘測中使用機(jī)載激光雷達(dá)測繪橫斷面相關(guān)問題的探討

高文峰 王長進(jìn)

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司, 天津 300251)

近年來,隨著GPS定位技術(shù)、IMU慣性導(dǎo)航技術(shù)、激光測距技術(shù)及精密制造技術(shù)的發(fā)展,機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)在工藝制造水平和應(yīng)用精度上都大幅提高,使得機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)(后文簡稱LIDAR)的應(yīng)用越來越廣泛。2009年初,鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司率先在路內(nèi)引進(jìn)了機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng),并結(jié)合多個勘察設(shè)計項(xiàng)目中進(jìn)行了應(yīng)用研究,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。利用LIDAR獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),通過對其進(jìn)行分類獲取地面精細(xì)DEM,從而切繪出橫斷面是LIDAR技術(shù)的一個重要應(yīng)用。但現(xiàn)實(shí)地形情況千差萬別,在生產(chǎn)過程中會遇到各種各樣的問題,本文將結(jié)合具體工程事例,通過對LIDAR穿透植被能力的分析,來討論利用LIDAR技術(shù)生產(chǎn)斷面方面存在的問題及其解決方案。

1 LIDAR數(shù)據(jù)獲取情況及應(yīng)用LIDAR的主要問題

某鐵路勘察設(shè)計項(xiàng)目地處中國中南部,該地區(qū)地形起伏很大,很多地方相對高差超過1 000 m,且天氣狀況較差,要想獲得理想的點(diǎn)云數(shù)據(jù)難度非常大。根據(jù)地形特點(diǎn)及生產(chǎn)實(shí)際情況,采用Leica ALS60機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備,飛行平臺為運(yùn)5固定翼飛機(jī),設(shè)計的點(diǎn)云平均點(diǎn)間距為0.7～1.0 m,航線寬度為2 km,完成有效航線里程2 000余km,航飛面積約1 800 km2。

應(yīng)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)生產(chǎn)斷面面臨兩個主要的難題,一是點(diǎn)云的不連續(xù)性,在關(guān)鍵變坡點(diǎn)處不一定有數(shù)據(jù),從而導(dǎo)致誤差；二是點(diǎn)云分類的準(zhǔn)確性,因分類誤差導(dǎo)致斷面精度的降低。該項(xiàng)目所經(jīng)地區(qū)山高林密,激光點(diǎn)穿透能力有限,點(diǎn)云濾波、斷面生產(chǎn)和DEM制作中存在很多的問題需要解決。

2 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)穿透植被能力的分析

獲取正確、一定密度的地面激光點(diǎn)云是后續(xù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。因此,為了分析后面出現(xiàn)的問題,首先要對機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)穿透植被的能力進(jìn)行具體的分析。激光穿透植被的方法是“見縫插針”,也就是說,只有在有空隙的地方,激光點(diǎn)才能打到地面上,這與微波的穿透方法不同。在植被稀疏或者不太茂密的地方,會有很多的激光點(diǎn)打到地面,這樣通過橫斷面可以很容易準(zhǔn)確的判斷出地形趨勢。但是,如果植被非常茂密,只有極少數(shù)激光點(diǎn)能穿透植被,這種點(diǎn)云數(shù)據(jù)無法正確的反映實(shí)際的地形特征,基于這種數(shù)據(jù)無法得到正確的斷面。圖1為該項(xiàng)目部分段落獲取的3月份和7月份的LIDAR數(shù)據(jù)(兩次的設(shè)計參數(shù)都是一樣的),3月份該地區(qū)的植被樹葉相對比較稀疏,7月份相對比較茂密?；疑c(diǎn)云表示7月份點(diǎn)云數(shù)據(jù),黑色點(diǎn)表示3月份點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖1 部分段落點(diǎn)云構(gòu)成

對兩個時期同一地區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,以及對植被覆蓋區(qū)與植被稀少區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的對比,可以清楚的看到機(jī)載激光雷達(dá)穿透植被的能力。其中3月份因植被枝葉稀疏,穿透點(diǎn)較多(實(shí)際統(tǒng)計為50％),斷面能有效的表達(dá)地形特征,7月份因植被枝葉茂密,穿透點(diǎn)較少(實(shí)際統(tǒng)計為15％,部分地區(qū)不到5％),擬合的地面精度較差。因此，南方植被茂密期且被茂密植被覆蓋的區(qū)域,要選擇合適的季節(jié)進(jìn)行航飛,才能獲取理想的數(shù)據(jù)。

3 不同地形條件下測繪橫斷面的策略

3.1 裸露地表

地面裸露地區(qū)的外業(yè)中樁高程和LIDAR高程配準(zhǔn)精度很高,如圖2所示。這種情況下最大的問題在于地形突變LIDAR點(diǎn)的缺少和分類錯誤,但經(jīng)過仔細(xì)的分析和相應(yīng)的檢查,能獲得較好的結(jié)果,這是比較理想的地形,不再贅述。

圖2 裸露地表高程匹配

3.2 局部植被茂密地區(qū)

圖3 局部植被茂密高程匹配

在茂密植被下,因LIDAR高程點(diǎn)較少,用擬合的高程和外業(yè)中樁高程進(jìn)行比較,誤差較大。如圖3所示,黑色方框處根據(jù)斷面推測為邊坡,無LIDAR點(diǎn),誤差可達(dá)-2.48 m。而該點(diǎn)的兩側(cè)有裸露地面,可以很準(zhǔn)確的判斷該點(diǎn)的高程是否正確。這種情況下的斷面相對好處理,因?yàn)橹車鸀槠降?只需要在中樁點(diǎn)處添加一高程點(diǎn)即可,即使不加點(diǎn),該點(diǎn)采用外業(yè)中樁高程也可獲得較高的精度。

3.3 區(qū)域植被茂密

植被茂密區(qū)域的情況比較復(fù)雜,因?yàn)槁湓诘孛嫔系狞c(diǎn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于落在樹上的點(diǎn),用落在地面上的個別點(diǎn)不能正確的擬合地形表面,而用內(nèi)差點(diǎn)的方法工作量會很大。圖4中整個斷面范圍內(nèi)的植被相對茂密,地面上的高程點(diǎn)稀少,造成與外業(yè)中樁高程比較誤差較大。

圖4 區(qū)域植被茂密高程匹配

3.4 植被茂密地區(qū)測繪地形橫斷面

植被茂密地區(qū)測繪地形橫斷面，我們分以下幾種情況討論。

(1)在橫斷面或者地形圖范圍內(nèi)均有茂密植被,且大部分點(diǎn)云均落在灌木叢頂部,灌木叢頂部的點(diǎn)云相對地面可以認(rèn)為是平行的。這種情況下,我們可以將灌木叢頂部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)當(dāng)作地面點(diǎn),平移改正灌木叢頂部與地面(外業(yè)中樁可以認(rèn)為是地面點(diǎn))之間的高差后生產(chǎn)橫斷面和地形圖。

(2)在橫斷面或者地形圖范圍內(nèi)只有部分段落被茂密植被覆蓋,這種情況下改正是比較困難的,一種方案是不改正,直接以分類地面點(diǎn)做斷面,這種方法的結(jié)果是一個斷面上或者一塊地形圖范圍內(nèi)精度不一致；或是改正誤差的一半,這種方法的結(jié)果是本來正確的地面高程會因?yàn)楦恼兊谜`差更大,但整個斷面上的誤差相對均勻。另一種方案是根據(jù)中樁點(diǎn)附近的點(diǎn)云情況選擇,如果中樁點(diǎn)附近有正確的地面點(diǎn)云數(shù)據(jù),就采用原始分類數(shù)據(jù)生產(chǎn)斷面,如果中樁點(diǎn)附近沒有正確的點(diǎn)云數(shù)據(jù),則修正點(diǎn)云高程,這種方法會使中樁附近的一段范圍內(nèi)的斷面精度有所提高,遠(yuǎn)離中樁的斷面精度降低。第三種方案是只修改植被覆蓋區(qū)域的點(diǎn)云,這種方法會比較繁瑣,但精度較高。

(3)在橫斷面或者地形圖范圍內(nèi)有茂密植被,但點(diǎn)云分布非常離散,無法判斷與地面平行點(diǎn)云的高度。這種情況下地面點(diǎn)會稍微多點(diǎn),建議直接采用分類地面點(diǎn)構(gòu)網(wǎng)建模。

4 結(jié)束語

結(jié)合實(shí)際鐵路勘測生產(chǎn)項(xiàng)目,針對利用機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)測繪橫斷面過程中遇到的一些具體問題進(jìn)行了探討,望能給同行帶來借鑒價值。鑒于篇幅和作者應(yīng)用的局限性,不可能將所有情況一一詳細(xì)討論,如影像輔助分類、精度分析、數(shù)據(jù)檢查等。另外,不同的問題其具體的解決方案也各有不同,例如在部分植被茂密區(qū)利用影像輔助分類也可以取得良好的效果,而有些地區(qū)則效果不好,需要根據(jù)具體的情況進(jìn)行分析。

[1]張小紅.機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)理論與方法[M].武漢：武漢大學(xué)出版社,2007