高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)與LIDAR數(shù)據(jù)在鐵路勘測設(shè)計(jì)中的深度應(yīng)用

周 云

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

1 概述

目前，中國陸地工程項(xiàng)目勘測設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料之一的空間數(shù)據(jù)獲取方式主要有以下三個(gè)途徑:①既有資料獲取(既有地圖及矢量化地圖、國家三角點(diǎn)、GPS點(diǎn)、水準(zhǔn)點(diǎn)等);②對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理獲取(光學(xué)航空攝影數(shù)據(jù)、LIDAR(激光雷達(dá))數(shù)據(jù)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)等);③地面實(shí)測數(shù)據(jù)(各種地圖、控制點(diǎn)測繪、地面激光掃描測繪等)。以上三種空間數(shù)據(jù)的獲取方式各有特點(diǎn)、優(yōu)勢，在現(xiàn)階段各自應(yīng)用于各工程項(xiàng)目中。相較于其他傳統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)獲取方式，衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)(大范圍)和三維激光掃描系統(tǒng)(小范圍)是近幾年研究、開發(fā)、應(yīng)用最為活躍，并在各自優(yōu)勢上獲得巨大成功的重點(diǎn)方向。目前，衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)與LIDAR數(shù)據(jù)也在鐵路勘測中得到一定的應(yīng)用，但遠(yuǎn)沒有達(dá)到適應(yīng)最新測繪科技發(fā)展，進(jìn)而開辟新的鐵路勘測設(shè)計(jì)工藝流程的地步，實(shí)際上，當(dāng)高分辨率商業(yè)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)價(jià)格逐漸走低，分辨率越來越高的時(shí)候(這是必然的趨勢)，將衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)和LIDAR數(shù)據(jù)聯(lián)合使用于鐵路勘測設(shè)計(jì)之中，并逐步取代現(xiàn)行勘測設(shè)計(jì)中的一些工藝流程或者工法是完全可能、可行的。

2 衛(wèi)星影像與LIDAR在鐵路勘測中的應(yīng)用現(xiàn)狀

鐵路勘測設(shè)計(jì)單位衛(wèi)星影像使用狀況大致如下:一方面，所采用的衛(wèi)星影像分辨率普遍較低，由于資料不全、現(xiàn)勢性差，以及時(shí)間緊迫等問題，導(dǎo)致更新后的地圖不能完全滿足要求，某種程度上會導(dǎo)致方案預(yù)可研質(zhì)量不高;另一方面，由于無規(guī)范可循，對衛(wèi)星影像如何采用、應(yīng)用程度等問題沒有要求，導(dǎo)致經(jīng)費(fèi)預(yù)算，各專業(yè)衛(wèi)星影像的選擇(品種、分辨率)、獲取方式等方面隨意性強(qiáng)。

鐵路勘測設(shè)計(jì)單位使用LIDAR狀況大致如下:目前，幾家鐵路綜合設(shè)計(jì)院都引進(jìn)了LIDAR設(shè)備，卻正好遇上了鐵路市場蕭條，沒有充分發(fā)揮LIDAR應(yīng)有的作用，并普遍存在以下問題:①沒有理清如何經(jīng)濟(jì)、高效使用LIDAR設(shè)備的方式方法，面對較多又處在頻繁改動的線路方案，要么LIDAR設(shè)備必須頻繁地上天飛行，實(shí)現(xiàn)很困難;要么LIDAR設(shè)備大面積飛行，但飛行工作量很大，至少是光學(xué)航空相機(jī)飛行工作量的2倍以上，實(shí)施起來很不劃算;②首先用光學(xué)航空相機(jī)實(shí)施盡可能大范圍的航空攝影，用最新的1：2000地形圖來完成線路方案初測、方案研究，當(dāng)線路方案基本穩(wěn)定后，再用LIDAR設(shè)備對穩(wěn)定方案實(shí)施小范圍、高精度的飛行，完成定測、初步設(shè)計(jì)、補(bǔ)充定測。這種方法較好地發(fā)揮了光學(xué)航空相機(jī)覆蓋范圍大、LIDAR飛行數(shù)據(jù)精度高的優(yōu)勢，但由于存在兩次飛行，將產(chǎn)生較大的航空攝影飛行費(fèi)用，時(shí)間上也很難保證項(xiàng)目進(jìn)度要求。

衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)已經(jīng)開始大規(guī)模應(yīng)用于我國的工程建設(shè)之中，鐵路勘測設(shè)計(jì)同樣需要更新觀念，抓住時(shí)機(jī)，大量、充分利用新的、高精度的對地觀測數(shù)據(jù)提高我國鐵路勘測設(shè)計(jì)水平。另一方面，使用最新測繪科技成果以實(shí)現(xiàn)節(jié)約開支、減員增效并大幅度減輕員工野外勞動強(qiáng)度。實(shí)施方案:①以衛(wèi)星影像完成大范圍選線設(shè)計(jì)(以衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)完成預(yù)可研、并以目前可以得到的高分辨率衛(wèi)星影像測繪1：5000比例尺地形圖完成初測及方案可行性研究);②對定測方案實(shí)施超低空飛行，以高密度、高精度的LIDAR激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、高分辨率數(shù)碼影像數(shù)據(jù)，完成線路1：2000數(shù)字地圖、線路縱橫斷面、工點(diǎn)圖內(nèi)業(yè)測量(完成定測、初步設(shè)計(jì)、補(bǔ)充定測、施工圖設(shè)計(jì))。下面分別就上面的兩個(gè)目標(biāo)作可行性分析。

3 技術(shù)可行性分析

3.1 高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)應(yīng)用于鐵路勘測設(shè)計(jì)

隨著新的航天飛行平臺、傳感器的不斷進(jìn)步，航天對地觀測技術(shù)已經(jīng)取得并將繼續(xù)取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)分辨率的大幅度提高，已經(jīng)可以承擔(dān)完成測繪工程用大比例尺地形圖的任務(wù)。眾所周知，目前世界上衛(wèi)星(主要指軍用間諜衛(wèi)星)影像數(shù)據(jù)的地面分辨已經(jīng)能達(dá)到驚人的0.1m以下，而商業(yè)衛(wèi)星的地面分辨率也已經(jīng)達(dá)到令人滿意的0.5m左右。例如，著名的美國 DG(DIGITAL GLOBE)公司的QUICKBIRD衛(wèi)星地面 分 辨 率 已 達(dá) 0.6 m，WORLDVIEW-1、-2衛(wèi)星已達(dá)0.5m。根據(jù)我國的國家測繪標(biāo)準(zhǔn)，0.5m地面分辨率測繪國家1：10000、1：5000比例尺地形圖是完全滿足要求的。鑒于衛(wèi)星影像的獲取方式都是以推掃式掃描來獲得攝影帶，衛(wèi)星公司通過一些技術(shù)處理，使得用戶可從衛(wèi)星公司或者代理商那里直接買到高分辨率衛(wèi)星影像立體像對，避免了單景衛(wèi)星照片測圖精度較差的不利因素，不需要對衛(wèi)星影像進(jìn)行額外處理或者采用新的方法，僅需要現(xiàn)有測圖工具上裝一個(gè)衛(wèi)星影像測圖模塊(國內(nèi)研制有大量這方面的軟件)，就能直接在各大設(shè)計(jì)院大量使用的JX4或者VIRTUZO全數(shù)字?jǐn)z影測量工作站上立體測繪相應(yīng)比例尺地形圖。為此，根據(jù)獲得的高分辨率衛(wèi)星影像，能方便測繪1：1萬比例尺地形圖，利用0.4m、0.5m或者0.6m高分辨率衛(wèi)星資料完成1：5000比例尺地形圖測繪。根據(jù)國內(nèi)有關(guān)公開發(fā)表的文章及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如果加強(qiáng)相應(yīng)外業(yè)控制，0.4～0.6m高分辨率衛(wèi)星影像資料還能測繪1：2000比例尺地形圖。

有關(guān)這方面的理論研究與工程實(shí)踐，國內(nèi)眾多專家學(xué)者、特別是工程實(shí)踐一線工程技術(shù)人員完成了大量相關(guān)文章的撰寫和生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，例如中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司空間信息與數(shù)字交通技術(shù)研究所為此做了許多開拓性的應(yīng)用貢獻(xiàn)，在西藏、青海、新疆等無圖區(qū)公路勘測設(shè)計(jì)項(xiàng)目上，高分辨率衛(wèi)星影像得到了大量成功應(yīng)用;此外，國家及諸多省級測繪局相關(guān)生產(chǎn)單位也相應(yīng)完成了大量的生產(chǎn)項(xiàng)目。實(shí)踐證明，不必實(shí)施大比例尺航空攝影，利用高分辨率衛(wèi)星影像資料完成線路勘測設(shè)計(jì)預(yù)可研、初測、可研是完全可行的(符合鐵路建設(shè)項(xiàng)目TB10504—2007行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，但目前各單位很少使用1：5000圖，這是觀念與習(xí)慣問題，如果非要1：2000圖來表示，此階段可以用衛(wèi)星影像資料以1：5000精度成1：2000圖來實(shí)施作業(yè))。同時(shí)，高分辨率衛(wèi)星影像的獲得也為地質(zhì)遙感判釋及其他專業(yè)提供了巨大的應(yīng)用空間(例如高分辨率衛(wèi)星影像立體像對將有助于精準(zhǔn)遙感判釋并加快地質(zhì)專業(yè)生產(chǎn)進(jìn)度，而不必等到LIDAR飛行完畢得到數(shù)碼像片來實(shí)施大比例尺影像判釋等)。

3.2 LIDAR激光數(shù)據(jù)(包括影像數(shù)據(jù))應(yīng)用于勘測設(shè)計(jì)

機(jī)載激光三維掃描系統(tǒng)LIDAR的出現(xiàn)，可以很方便地得到高精度的DEM數(shù)據(jù)，特別是慣性導(dǎo)航IMU和全球定位GPS集成的定姿、定位系統(tǒng)(POS系統(tǒng))大量應(yīng)用于LIDAR飛行后，不僅外業(yè)工作量大量減少，而且使得線路1：2000圖制作、定測階段縱橫斷面測量、工點(diǎn)地形圖測量完全能實(shí)現(xiàn)全部內(nèi)業(yè)化，生產(chǎn)效率得到提高，經(jīng)濟(jì)成本得以降低。同時(shí)，由于其他原因發(fā)生的線路局部改線而超出了LIDAR飛行范圍，可以利用上面用到的高分辨率衛(wèi)片測繪1：2000比例尺地形圖予以補(bǔ)充完成。

3.3 高分辨率衛(wèi)星影像與LIDAR數(shù)據(jù)的聯(lián)合使用

通過上面的技術(shù)分析可知，用現(xiàn)有高分辨率商業(yè)衛(wèi)星資料制作鐵路勘測用1：10000，特別是1：5000甚至1：2000比例尺地形圖是完全可行并被實(shí)踐證明了的成熟工藝流程，完全能滿足鐵路預(yù)可研、可研階段設(shè)計(jì)用圖的需要，特別在西部等特別困難地區(qū)，還可以僅以衛(wèi)星影像資料測繪1：2000比例尺地形圖，滿足初步設(shè)計(jì)的要求。

鑒于此，如屬競標(biāo)項(xiàng)目，根據(jù)項(xiàng)目的走向，可從衛(wèi)星公司或者代理商那里購買存檔現(xiàn)勢性高、相應(yīng)分辨率的衛(wèi)星影像資料，全面修測1：10000、1：50000地形圖，以提高中標(biāo)概率(現(xiàn)勢性高的資料獲取在城市特別是大城市完全可以實(shí)現(xiàn)，在新建鐵路中，困難可能要大些，如果愿意提前投入，均可直接提前訂購高分辨率衛(wèi)星影像);如屬于非競標(biāo)項(xiàng)目，或者雖有競標(biāo)但志在必得的項(xiàng)目中，可直接向衛(wèi)星公司或者代理商訂購工程項(xiàng)目區(qū)域最高分辨率衛(wèi)星影像資料，開展1：5000比例尺地形圖的制作，一方面將既有1：10000、1：50000地形圖與最新1：5000地形圖相結(jié)合，來完成高質(zhì)量的預(yù)可研方案，將節(jié)約可研階段的大量外業(yè)工作量;另一方面，完成的1：5000地形圖，可直接用于可研階段的線路勘測設(shè)計(jì)之中，較好地解決了初測階段的地形圖現(xiàn)勢性問題，使初測階段的工作有了較好的針對性，減少了大量的方案比選外業(yè)勘測工作量。同時(shí)，由于1：5000比例尺地形圖有較大的覆蓋范圍，對于縮短初測周期，提高設(shè)計(jì)線路的穩(wěn)定性，減少比選方案等有極大的幫助。

在定測階段，由于線路方案已趨穩(wěn)定，此時(shí)可利用LIDAR設(shè)備(初測階段一般已完成LIDAR飛行的所有手續(xù)及飛機(jī)等設(shè)備的調(diào)動)對穩(wěn)定的線路方案實(shí)施沿中線的LIDAR飛行(例如以ALS60、RCD30，飛行相對航高700m左右，覆蓋寬度800m左右，地面影像分辨率10 cm左右)。由于線路方案已基本穩(wěn)定，800m的覆蓋寬度能滿足現(xiàn)階段1：2000比例尺地形圖成圖寬度需要。對于可能產(chǎn)生的局部方案變動，只要稍加外業(yè)工作量，便可利用高分辨率衛(wèi)星影像來完成1：2000圖的測繪。另外，激光點(diǎn)密度(4個(gè)/m左右)及影像數(shù)據(jù)(地面分辨率優(yōu)于0.1m)完全可滿足1：500～1：1000比例尺地形圖對精度的要求，通過嚴(yán)格的作業(yè)流程，DEM數(shù)據(jù)中誤差可達(dá)±0.1m左右，在平原地區(qū)新建鐵路、既有公路、既有鐵路改造時(shí)精度會更好。同樣，對于可能的局部方案變動產(chǎn)生的外業(yè)工作量可上外業(yè)隊(duì)在很短時(shí)間內(nèi)完成。

由于飛行高度的降低(比光學(xué)航空相機(jī)降低一半的相對航高)，不僅獲得的LIDAR數(shù)據(jù)精度高，飛行環(huán)境也大為改善，可有效地縮短飛行周期，為后面內(nèi)業(yè)制圖贏得時(shí)間。由于全部是單航線飛行，飛行工作量相應(yīng)減少，避免了航空飛行卡脖子事情的出現(xiàn)。由于有了高精度的DEM數(shù)據(jù)，可直接在DEM上截取線路縱、橫斷面，減少甚至完全不要做外業(yè)縱、橫斷面測量，精度上有保證，而且還能節(jié)省大量的外業(yè)勘測經(jīng)費(fèi)，達(dá)到減員增效的作用。由于有了高精度的DEM數(shù)據(jù)及實(shí)現(xiàn)了資料共享，使得鐵路勘測設(shè)計(jì)一體化真正成為可能，在設(shè)計(jì)階段，一個(gè)人便可在計(jì)算機(jī)上完成大量初步設(shè)計(jì)及施工設(shè)計(jì)用圖。

4 經(jīng)濟(jì)可行性分析

以200 km線路工程，worldview 0.5m分辨率衛(wèi)片，RC-30黑白膠片航空攝影、AlS60、LIDAR設(shè)備等為基礎(chǔ)。

200 km的鐵路新線勘測設(shè)計(jì)工程以各種方式完成從預(yù)可研到施工圖設(shè)計(jì)需要的勘測經(jīng)費(fèi)大約如下。

①使用光學(xué)航空相機(jī)(如 Leica RC-30)時(shí):約195萬元左右，完成任務(wù)難易程度:較難。

②單獨(dú)使用LIDAR設(shè)備(如Leica ALS60)時(shí):約220萬元左右，完成任務(wù)難易程度:難。

③用光學(xué)航空相機(jī)(如Leica RC-30)結(jié)合LIDAR設(shè)備時(shí):約220萬元左右;完成任務(wù)難易程度:難

④使用衛(wèi)星影像與LIDAR設(shè)備時(shí):約190萬元左右;完成任務(wù)難易程度:較難。

與傳統(tǒng)的工藝流程相比較，表面上，一開始購買衛(wèi)星影像時(shí)花的錢較多，但由于避免了各專業(yè)重復(fù)購買衛(wèi)星影像而相對減少了費(fèi)用，初測外業(yè)工作量較少了費(fèi)用，定測外業(yè)工作量較少了費(fèi)用(實(shí)際上以LIDAR內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)汲取斷面時(shí)，費(fèi)用會更少)，故將高分辨率衛(wèi)星影像、LIDAR數(shù)據(jù)聯(lián)合使用而形成的鐵路勘測設(shè)計(jì)工藝流程其費(fèi)用比其他工藝流程相當(dāng)甚至更低，但難易程度降低，能最大限度滿足勘測設(shè)計(jì)要求，發(fā)揮高新技術(shù)力量，減少大量外業(yè)人員投入。

5 時(shí)間可行性分析

我們這里所說的時(shí)間一是資料的現(xiàn)勢性，另一個(gè)是資料的獲取速度。從總的時(shí)間上來講，對于鐵路等長大帶狀面積目標(biāo)來說，一般要調(diào)商業(yè)衛(wèi)星專門攝影來獲取最新資料，從申請到獲得資料一般需要等幾個(gè)星期到一、二個(gè)月時(shí)間不等(衛(wèi)星對客戶要求的目標(biāo)進(jìn)行照相，其時(shí)間長短主要取決于線路的走向與天氣情況而無空中管制影響);這樣的時(shí)間基本等同于傳統(tǒng)的航空攝影時(shí)間(從單位行文，大軍區(qū)審批，空軍民航空域?qū)徟?，等待天氣飛行等)基本相當(dāng)。特別在南方雨季，由于衛(wèi)星照相不受空域限制，能抓住雨季每一個(gè)有限的晴好天氣而略具優(yōu)勢。同時(shí)，由于衛(wèi)星影像單景影像覆蓋面大，例如對于worldview衛(wèi)星來說，單景幅寬為17 km，即使衛(wèi)星公司按5 km×5 km的面積來裁切，這已經(jīng)是一個(gè)相當(dāng)寬的范圍，基本上能包含貫通方案以外的所有比較方案，也就是說購買一次，能滿足全部的制圖范圍。即使當(dāng)方案變化較大時(shí)，也不需要重新航空攝影或者必須購買既有航空攝影資料來完成變化方案的制圖，而是直接從衛(wèi)星公司購買存檔資料。對于不需要競標(biāo)的項(xiàng)目，可以提前調(diào)衛(wèi)星對項(xiàng)目攝影，能爭取大量的時(shí)間;對于需要競標(biāo)的單位，可以與衛(wèi)星公司或者代理商建立一個(gè)積極、靈活的機(jī)制(第一必須是衛(wèi)星公司以外的第三方掌握數(shù)據(jù)，第二，就是新的勘測方法必須成為設(shè)計(jì)單位的共識)，提前調(diào)衛(wèi)星對目標(biāo)進(jìn)行攝影，在預(yù)可研階段完成或者說開標(biāo)明確中標(biāo)單位后，由中標(biāo)單位支付費(fèi)用。這樣，一方面爭取了時(shí)間，另一方面也不存在讓沒中標(biāo)的單位產(chǎn)生不必要的額外大量費(fèi)用。衛(wèi)星影像的內(nèi)業(yè)處理應(yīng)該更具優(yōu)勢，立體相像對少，內(nèi)、外業(yè)工作量都會相應(yīng)減少(0.5m分辨率worldview衛(wèi)星，200 km大概只有40個(gè)立體相對)。

由于線路方案穩(wěn)定，攝影航線減少，飛行高度降低，LIDAR飛行比常規(guī)飛行要減少至少50%的時(shí)間。

LIDAR內(nèi)、外業(yè)工作量與常規(guī)膠片航空攝影測量內(nèi)外業(yè)所用時(shí)間短。

定測以及補(bǔ)充定測階段的大量外業(yè)工作是貫通方案的縱、橫斷面測量、工點(diǎn)地形圖測繪，常規(guī)方法是必須動用大量外業(yè)勘測隊(duì)伍實(shí)施野外測量來獲得，精度低、費(fèi)用大、效率不高。有了LIDAR數(shù)據(jù)以及由此而生產(chǎn)出高精度的DEM數(shù)據(jù)后，縱橫斷面測量、工點(diǎn)地形圖完全可以在室內(nèi)完成。精度高，費(fèi)用低，效率將是外業(yè)實(shí)測的好幾倍。

6 結(jié)論

通過上面的分析，無論從技術(shù)上、經(jīng)費(fèi)上還是時(shí)間上，將衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)與LIDAR數(shù)據(jù)聯(lián)合應(yīng)用于現(xiàn)階段的鐵路勘測設(shè)計(jì)是完全可行的。除此之外，將衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)與LIDAR數(shù)據(jù)聯(lián)合應(yīng)用于現(xiàn)階段的鐵路勘測設(shè)計(jì)還會給勘測設(shè)計(jì)單位帶來以下好處:

①衛(wèi)星影像制圖為設(shè)計(jì)部門承擔(dān)國外工程勘測項(xiàng)目(以衛(wèi)星立體影像完成1：2000比例尺地形圖測繪)開辟了新途徑。

②提高了工程項(xiàng)目勘測設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了勘測設(shè)計(jì)周期。

③適應(yīng)新的科技發(fā)展方向，為迎接衛(wèi)星攝影測量與制圖時(shí)代的到來做好了準(zhǔn)備。

④提高了企業(yè)科技含量，適應(yīng)了企業(yè)減員增效的發(fā)展方向。

可以預(yù)見，當(dāng)中國完成大規(guī)?；窘ㄔO(shè)后，以少、精、尖為特色的勘察設(shè)計(jì)單位甚至設(shè)計(jì)事務(wù)所是一種世界性的發(fā)展趨勢，而正視最新的相關(guān)科技發(fā)展，并善于加以應(yīng)用正是國有大型勘測設(shè)計(jì)單位走向成熟的必經(jīng)之路。

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