地面三維激光掃描儀在張吉懷鐵路1∶500地形圖和斷面測繪中的應(yīng)用

胡玉雷

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

地形圖和斷面測繪是鐵路勘測設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)重要組成部分。目前，鐵路大范圍的1∶2 000帶狀地形圖和斷面測繪主要采用航空攝影測量和機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)，而在隧道口、橋址等重要工點(diǎn)，經(jīng)常需要補(bǔ)測大比例地形圖和斷面數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的1∶500地形圖和斷面測繪主要采用全站儀和GPS-RTK等單點(diǎn)測量方法，在植被密集、地勢險(xiǎn)峻的山區(qū)，由于通視條件差、衛(wèi)星信號(hào)弱、人員無法到達(dá)等原因，采用全站儀和GPS-RTK施測較為困難[1]。

地面三維激光掃描(Terrestrial Laser Scanning，簡稱TLS)是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一種快速獲取三維數(shù)據(jù)的主動(dòng)式新型測量技術(shù)，它通過向目標(biāo)主動(dòng)發(fā)射一定波長的激光脈沖信號(hào)并接收回波信號(hào)，來獲取目標(biāo)的三維坐標(biāo)以及反射特性，具有高密度、高精度、高效率等優(yōu)勢[2]。地面三維激光掃描技術(shù)在地形測量、城市測繪、交通設(shè)計(jì)等眾多工程領(lǐng)域顯現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

以地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于張吉懷鐵路1∶500地形圖和斷面測繪為例，論述激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、1∶500地形圖和斷面測繪方法。

1 地面三維激光掃描儀原理

1.1 系統(tǒng)組成

地面三維激光掃描儀由激光發(fā)射器、控制終端、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、數(shù)據(jù)處理軟件、電源、人工靶標(biāo)等部分組成。有的掃描儀還搭載有數(shù)碼相機(jī)，用于獲取目標(biāo)表面的紋理信息[3，4]。Riegl VZ-2000地面三維激光掃描儀如圖1所示。

圖1 Riegl VZ-2000地面激光掃描儀

1.2 工作原理

地面三維激光掃描儀的工作過程可以分為三步[5]：①發(fā)射器中的脈沖二極管發(fā)射激光脈沖信號(hào)，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)棱鏡反射后到達(dá)目標(biāo)表面；②位于接收器中的傳感器接收反射回的激光脈沖信號(hào)；③處理軟件將反射信號(hào)轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)信息，輸出包含反射強(qiáng)度等信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖2 地面激光掃描儀測量原理

就工作原理而言，地面三維激光掃描儀和全站儀類似，都是以設(shè)備自身中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立極坐標(biāo)系，通過距離測量和角度測量實(shí)現(xiàn)對(duì)地面目標(biāo)的三維坐標(biāo)測量。進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，以地面三維激光掃描儀的儀器中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，Z軸豎直向上，以儀器初始化時(shí)激光的發(fā)射方向?yàn)閄軸，根據(jù)右手準(zhǔn)則確定Y軸(如圖2)，將極坐標(biāo)系下的距離D、高度角、方向角轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)信息，即得到目標(biāo)點(diǎn)在掃描儀坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)[6]

(1)

地面三維激光掃描技術(shù)可以同時(shí)獲取目標(biāo)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)、反射強(qiáng)度、色彩信息，可以真實(shí)反映目標(biāo)的形態(tài)與結(jié)構(gòu)，為目標(biāo)識(shí)別與分析提供了豐富的信息。

1.3 技術(shù)指標(biāo)及優(yōu)勢

由激光掃描儀的工作原理可知，決定點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量和精度的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)包括：視場角、角度分辨率、距離分辨率、點(diǎn)位精度、光斑大小等[6，7]。表1是幾款常見掃描儀的技術(shù)指標(biāo)。

表1 常見掃描儀的技術(shù)指標(biāo)

相較于全站儀、GPS-RTK等傳統(tǒng)測量手段，地面三維激光掃描儀具有諸多特點(diǎn)及優(yōu)勢。①主動(dòng)性和實(shí)時(shí)性：通過接收自身發(fā)射的激光脈沖信號(hào)來探測目標(biāo)的空間位置和光譜信息，不受天氣、時(shí)間等條件的限制。②高密度和高精度：在精密傳感器工藝的支持下，基于采樣間隔極小并且分布均勻的點(diǎn)陣獲取目標(biāo)信息，保證了測量精度。③數(shù)字化和自動(dòng)化：將激光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，具有全數(shù)字特征，自動(dòng)化程度較高。④非接觸性和穿透性：完全非接觸的測量方式，可有效解決滑坡監(jiān)測等危險(xiǎn)區(qū)域的測量問題，具有很強(qiáng)的適用性[8]。激光能夠穿透不太濃密的植被到達(dá)地面，獲取地表高程，在一定程度上規(guī)避了GPS-RTK信號(hào)易受茂密植被遮擋的問題。

2 作業(yè)流程與關(guān)鍵技術(shù)

基于Riegl VZ-2000三維激光掃描儀進(jìn)行1∶500地形圖和斷面測繪主要包括三步：①外業(yè)數(shù)據(jù)采集；②內(nèi)業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理；③地形圖和斷面生成。作業(yè)流程如圖3所示。

圖3 地形圖和斷面測繪技術(shù)流程

2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

當(dāng)測區(qū)范圍較大、地形較復(fù)雜或遮擋較嚴(yán)重時(shí)，需要分站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。首先根據(jù)測區(qū)范圍、地形地貌特點(diǎn)、通視條件，初步設(shè)計(jì)測站數(shù)量及每個(gè)測站的具體位置，保證掃描數(shù)據(jù)覆蓋整個(gè)測區(qū)；然后在每個(gè)測站四周30～50 m范圍內(nèi)布設(shè)若干反射片靶標(biāo)，每個(gè)測站應(yīng)至少布置3個(gè)靶標(biāo)[9](用于后期的點(diǎn)云配準(zhǔn))。根據(jù)地形特點(diǎn)和技術(shù)要求設(shè)置儀器的掃描視場范圍、掃描模式、點(diǎn)云密度等參數(shù)。同時(shí)，用全站儀測量每個(gè)反射片靶標(biāo)中心在全局坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。每個(gè)測站掃描完成后，注意檢查該站點(diǎn)云的實(shí)際覆蓋范圍和點(diǎn)云密度，對(duì)被障礙物遮擋或點(diǎn)云密度不夠的區(qū)域做好記錄，以便下一測站進(jìn)行補(bǔ)測。

為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量和精度，外業(yè)數(shù)據(jù)采集需要注意的事項(xiàng)包括：

①設(shè)站點(diǎn)須穩(wěn)定、視場開闊。

②對(duì)于深溝、峭壁等困難測區(qū)，須選擇正對(duì)測區(qū)的較高位置架設(shè)掃描儀。

③對(duì)于植被茂密的區(qū)域，盡量選取制高點(diǎn)設(shè)站，利于激光脈沖束穿過植被到達(dá)地表，獲取盡可能多的地面點(diǎn)信息。

④對(duì)于村莊、城鎮(zhèn)等人工地物較密集的區(qū)域，若存在重要地物數(shù)據(jù)采集不完整的情況時(shí)，可使用全站儀、GPS-RTK進(jìn)行補(bǔ)測。一方面作為激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的補(bǔ)充，另一方面可以作為檢查點(diǎn)。

⑤在山區(qū)，為獲得更密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，角度分辨率通常選用0.04°。

⑥為保證點(diǎn)云配準(zhǔn)精度，實(shí)際作業(yè)中，一般每個(gè)測站布設(shè)4個(gè)靶標(biāo)，且反射片應(yīng)在測站周圍均勻、高低錯(cuò)落分布，以避免共面及共線情況的發(fā)生[3]。

2.2 內(nèi)業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

(1)點(diǎn)云配準(zhǔn)

原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)是基于掃描儀自身的內(nèi)部坐標(biāo)系，而1∶500地形圖和斷面測繪均是基于全局坐標(biāo)系，故需要在全局坐標(biāo)系下，實(shí)現(xiàn)多站點(diǎn)云的高精度配準(zhǔn)。點(diǎn)云高精度配準(zhǔn)分為點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和多站平差兩步[5，10]。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是將每個(gè)測站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)從掃描儀內(nèi)部坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為全局坐標(biāo)系。全局坐標(biāo)系可以是西安1980、CGCS2000等國家基準(zhǔn)，也可以是獨(dú)立的工程坐標(biāo)系。

(2)

(3)

點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的模型如式(2)和式(3)，其中x,y,z和x′，y′,z′分別是點(diǎn)云數(shù)據(jù)在掃描儀內(nèi)部坐標(biāo)系和全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。該模型有7個(gè)參數(shù)，s是比例系數(shù)，R是兩個(gè)坐標(biāo)系之間的正交旋轉(zhuǎn)矩陣，φ，φ，κ是三個(gè)旋轉(zhuǎn)角，xT,yT,zT是平移量。因此，需要至少3對(duì)同名點(diǎn)才能解算出7個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)。

全站儀實(shí)測的靶標(biāo)三維坐標(biāo)、從點(diǎn)云中提取的靶標(biāo)三維坐標(biāo)均不可避免地存在誤差，導(dǎo)致經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的多站激光點(diǎn)云仍存在細(xì)微的位置偏差，重疊處呈現(xiàn)細(xì)微的分層和錯(cuò)位現(xiàn)象。因此，可基于迭代最鄰近點(diǎn)算法(ICP)對(duì)多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度平差[11]，調(diào)整每個(gè)掃描站的位置和姿態(tài)，以獲取高精度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

完成點(diǎn)云配準(zhǔn)后，采用全站儀或GPS-RTK實(shí)測的重點(diǎn)地物碎部點(diǎn)，對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平面和高程精度進(jìn)行檢核。

(2)點(diǎn)云著色

事先對(duì)外置數(shù)碼相機(jī)與掃描儀之間的相對(duì)位置參數(shù)已進(jìn)行了標(biāo)定，故可基于數(shù)碼影像對(duì)配準(zhǔn)后的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行著色，使點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有彩色紋理，更加逼近真實(shí)場景，便于制作地形圖和提取斷面線[12]。

(3)點(diǎn)云去噪

由于走動(dòng)的行人、山間的霧氣、雨水等因素，會(huì)造成原始激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含一些沒有用的點(diǎn)(稱為點(diǎn)云噪聲)。點(diǎn)云噪聲通常呈現(xiàn)出不連續(xù)、雜亂、反射率異常等特征。因此，可先對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行三維柵格劃分，然后在柵格內(nèi)基于點(diǎn)云密度、相鄰柵格重心之間的距離、反射率等參數(shù)進(jìn)行分離。

(4)非地形點(diǎn)濾波

Riegl VZ-2000地面三維激光掃描儀每秒能發(fā)射40萬個(gè)激光脈沖，并且具有多次回波技術(shù)。經(jīng)過多站點(diǎn)云配準(zhǔn)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，除了含有大量地形數(shù)據(jù)，同時(shí)也不可避免地包含大量非地形數(shù)據(jù)(比如地物和植被數(shù)據(jù))。為保證地形圖和斷面的精度，需將點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的非地形點(diǎn)分離出來。首先對(duì)測區(qū)點(diǎn)云分塊，然后基于每個(gè)小塊內(nèi)房屋尺寸、地形坡度、迭代角度等參數(shù)進(jìn)行反復(fù)多次的自動(dòng)濾波計(jì)算[2，3]，對(duì)自動(dòng)濾波的成果進(jìn)行檢查，對(duì)被錯(cuò)誤分類的點(diǎn)云進(jìn)行修改，直至無法繼續(xù)分離出非地形點(diǎn)。

2.3 地形圖與斷面生成

(1)地形圖繪制

①根據(jù)1∶500地形圖的技術(shù)要求以及地形坡度等參數(shù)[11]，從地形點(diǎn)中分離出地形特征點(diǎn)。地形特征點(diǎn)的數(shù)據(jù)量與地形點(diǎn)相比小很多，但保留了山頂、山脊、山谷、鞍部、陡坎、深溝等重要地形，可以基于地形特征點(diǎn)生成等高線。②根據(jù)等高線走勢、地形特點(diǎn)及1∶500地形圖的技術(shù)要求，從地形點(diǎn)中選擇數(shù)量足夠的離散點(diǎn)作為高程注記點(diǎn)添加到圖幅上。③基于地形點(diǎn)和非地形點(diǎn)的真實(shí)彩色紋理和反射強(qiáng)度等信息，對(duì)地物(房屋、道路、橋梁、水系、電線桿等)進(jìn)行判讀和分析，輔以GPS-RTK補(bǔ)測的部分碎部點(diǎn)，根據(jù)1∶500地形圖的圖式圖例要求繪制地物符號(hào)。④根據(jù)1∶500地形圖的圖面整飾要求，對(duì)圖幅進(jìn)行整飾。

(2)斷面生成

基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行斷面測繪，是指在已知斷面平面位置的情況下，提取斷面上密集的二維離散點(diǎn)對(duì)應(yīng)的的高程值。即使激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的地形點(diǎn)足夠密集，也不能保證斷面上每個(gè)二維離散點(diǎn)均有對(duì)應(yīng)的激光點(diǎn)。因此，首先應(yīng)基于離散的地形點(diǎn)生成不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)并覆蓋整個(gè)測區(qū)，然后基于該三角網(wǎng)模型對(duì)斷面上的二維離散點(diǎn)進(jìn)行三角網(wǎng)內(nèi)插[7，13]，計(jì)算每個(gè)二維離散點(diǎn)的高程值，經(jīng)檢查合格后，可作為該斷面成果的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 應(yīng)用案例

張家界-吉首-懷化鐵路(簡稱張吉懷鐵路)位于湖南省西部，正線全長約246.6 km。張吉懷鐵路沿線為典型的山區(qū)地形，山巒起伏，溝壑眾多，地形起伏大。在定測階段，為解決困難地形的測量問題，采用Riegl VZ-2000地面三維激光掃描儀，共對(duì)29個(gè)隧道口進(jìn)行1∶500地形圖和斷面測繪。以某隧道口為例，該測區(qū)面積約0.04 km2，以深溝、陡坡為主，高差達(dá)120 m，植被茂密，衛(wèi)星信號(hào)差，人工野外實(shí)測困難較大，采用地面三維激光掃描儀僅需投入三人、Riegl VZ-2000地面激光掃描儀一套、GPS-RTK一套、全站儀一套。按照其技術(shù)流程完成了外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和地形圖與斷面生成。其中，完成4個(gè)測站的外業(yè)數(shù)據(jù)采集約耗時(shí)2 h，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理約耗時(shí)4 h，共提交一幅1∶500地形圖、21個(gè)橫斷面成果、1個(gè)縱斷面成果，如圖4和圖5。

圖4 1∶500地形圖成果

圖5 橫斷面和縱斷面成果

為確保成果滿足鐵路1∶500地形圖和斷面的精度要求，外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)采用GPS-RTK實(shí)地測量了25個(gè)離散檢查點(diǎn)(包含灌木、樹林、旱地、巖石等)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，25個(gè)檢查點(diǎn)所在位置激光點(diǎn)云的高程誤差如表2。由表2可見，激光點(diǎn)云在密林、灌木等區(qū)域高程誤差較大，而在旱地、巖石等區(qū)域誤差較小，這與激光點(diǎn)云對(duì)茂密植被的穿透效果以及非地形點(diǎn)濾波的效果有關(guān)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，激光點(diǎn)云的最大高程誤差為0.307 m，最小高程誤差為0.004 m，高程中誤差為0.119 m，滿足鐵路勘測中1∶500地形圖和斷面測繪的精度要求。

4 結(jié)束語

(1)利用Riegl VZ-2000三維激光掃描儀采集多站激光點(diǎn)云，經(jīng)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理后，其高程精度滿足鐵路1∶500地形圖和斷面測繪的精度要求。

(2)激光點(diǎn)云在密林、灌木等植被茂密區(qū)域的高程精度略低于旱地、巖石等裸露地表。

表2 激光點(diǎn)云高程精度統(tǒng)計(jì) m

注：最大高程誤差為0.307 m，最小高程誤差為0.004 m，高程中誤差0.119 m

(3)與全站儀、GPS-RTK等單點(diǎn)測量方法相比，Riegl VZ-2000地面三維激光掃描儀具有高精度、高密度、高效率等優(yōu)勢，尤其是在山區(qū)鐵路勘測中，對(duì)險(xiǎn)峻地形的非接觸測量以及對(duì)稀疏植被良好的穿透性，能顯著減小野外測量的工作強(qiáng)度。

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