機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在昌景黃鐵路縱橫斷面測量中的應(yīng)用

李紅

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430061）

1 概述

2017年7 月，為促進(jìn)鐵路建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展，中國鐵路總公司下發(fā)了《中國鐵路總公司關(guān)于科學(xué)有序推進(jìn)高速鐵路建設(shè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》、（鐵總計(jì)統(tǒng)〔2017〕177號）文等文件，并于2017年8月4日召開了關(guān)于促進(jìn)鐵路建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的工作座談會，加強(qiáng)對文件的學(xué)習(xí)，對如何提高勘察設(shè)計(jì)質(zhì)量、規(guī)劃項(xiàng)目前期市場等進(jìn)行座談。

（鐵總計(jì)統(tǒng)〔2017〕177號）文《中國鐵路總公司關(guān)于加強(qiáng)鐵路建設(shè)項(xiàng)目征地拆遷工作和費(fèi)用管理的指導(dǎo)意見》中第八條：建立獎懲機(jī)制，提高征地拆遷勘察設(shè)計(jì)質(zhì)量。初步設(shè)計(jì)階段的征地拆遷數(shù)量、補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)、費(fèi)用要與可行性研究階段逐一進(jìn)行對照分析，增減幅度超出5%的，應(yīng)要求設(shè)計(jì)單位書面說明原由并納入勘測設(shè)計(jì)質(zhì)量評價(jià)考核。因勘察設(shè)計(jì)單位原因造成征地、拆遷、三電及管線遷改、臨時(shí)用地等費(fèi)用（按設(shè)計(jì)當(dāng)期的價(jià)格水平測算）與批復(fù)概算偏差超出10%的，可扣減勘察設(shè)計(jì)費(fèi)用1～5%。而在鐵路實(shí)際勘測中，由于各種原因，測量精度有時(shí)達(dá)不到要求，在這種背景下，進(jìn)一步提高勘測精度，保證高水平的勘測質(zhì)量迫在眉睫。

隨著激光雷達(dá)技術(shù)的日漸成熟，三維激光掃描儀開始逐漸普及。三維激光掃描儀可以快速高效獲取三維場景的高精度、高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜場景的高精度測量，適應(yīng)了鐵路數(shù)字化勘測的趨勢。

2 機(jī)載激光雷達(dá)LIDAR技術(shù)特點(diǎn)介紹

2.1 LIDAR技術(shù)

LIDAR技術(shù)是一種利用GPS和IMU（慣性測量裝置）定位定姿的機(jī)載激光掃描測量技術(shù)。其生產(chǎn)流程是：利用激光掃描儀對地面進(jìn)行連續(xù)掃描，直接獲取三維激光點(diǎn)云，應(yīng)用分類技術(shù)移除建筑物、覆蓋植物等測點(diǎn)，保留地表測點(diǎn)，即可獲得數(shù)字高程模型（DEM）。配合搭載數(shù)碼相機(jī)所拍攝的高分辨率數(shù)碼影像，進(jìn)而生產(chǎn)數(shù)字線劃圖（DLG）。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)屬于半主動式直接測量技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的航空攝影測量技術(shù)，可大幅減少測量工序及人工觀測制圖的工作量，是近年來應(yīng)用越來越廣泛的測量技術(shù)之一。

2.2 機(jī)載Lidar的優(yōu)勢

（1）Lidar對薄云和植被有一定的穿透能力，若只需獲取激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其航飛作業(yè)對天氣的要求較低，可在陰天甚至夜間作業(yè)，縮短數(shù)據(jù)獲取周期。

（2）機(jī)載Lidar系統(tǒng)自帶POS系統(tǒng)，只需要在攝影是布設(shè)少量地面GPS基準(zhǔn)站及野外控制點(diǎn)，就可以解算出WGS-84坐標(biāo)及GPS大地高的數(shù)據(jù)成果并進(jìn)行坐標(biāo)及高程轉(zhuǎn)換。

（3）采用高精度、高密度的Lidar點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取縱橫斷面，具有自動化程度高、精度高、速度快等優(yōu)勢。同時(shí)，也有利于開展三維鐵路線路設(shè)計(jì)工作。

3 LIDAR技術(shù)作業(yè)流程

機(jī)載激光雷達(dá)包括外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)頁數(shù)據(jù)處理，其中內(nèi)業(yè)是指依據(jù)航攝資料和外控資料生產(chǎn)鐵路設(shè)計(jì)所需的數(shù)字地形圖、數(shù)字正射影像和橫縱斷面。其作業(yè)流程為：

3.1 資料準(zhǔn)備

在內(nèi)業(yè)作業(yè)前應(yīng)收集航攝資料、外控資料、CP0及CPI資料。進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)查：檢查航攝資料，檢查檢校場點(diǎn)云數(shù)據(jù)，復(fù)查點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量，復(fù)查影像質(zhì)量。

3.2 數(shù)據(jù)解算

利用航飛時(shí)同步觀測的CP0基站數(shù)據(jù)，與機(jī)上GPS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行差分定位解算出航跡位置文件。聯(lián)合航跡位置文件和機(jī)上IMU觀測數(shù)據(jù)解算最終航跡文件?；谧罱K航跡文件和原始激光觀測文件及影像曝光點(diǎn)解算初步激光雷達(dá)數(shù)據(jù)和影像的外方位元素。

機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)預(yù)處理流程如圖1所示。

圖1

3.3 檢校

基于航飛的檢校場數(shù)據(jù)，結(jié)合檢校場測量的控制點(diǎn)對激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行檢校，消除系統(tǒng)誤差。

（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)檢校：

安置角誤差（roll，pitch，heading）檢校，測距誤差（rangeoffset）檢校；

（2）影像數(shù)據(jù)檢校：

利用相機(jī)ImageEvent文件和IPASSOL文件生成影像的初始外方位元素；

LPS下建立影像工程，并利用相機(jī)檢校文件，進(jìn)行內(nèi)定向和外定向；

ORIMA模塊下進(jìn)行空三加密處理；

利用空三加密結(jié)果，生成相機(jī)的視準(zhǔn)軸檢校值，并重新生成檢校后的外方位元素；

重新建立工程采用檢校值，對檢校結(jié)果進(jìn)行精度檢查和分析。

3.4 數(shù)據(jù)精化

基于CP1控制點(diǎn)和外控點(diǎn)對激光雷達(dá)數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行檢查和調(diào)整，確保數(shù)據(jù)精度。

根據(jù)《機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理技術(shù)規(guī)范》（CH/T8023-2011）規(guī)范中的點(diǎn)類定義，將測區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的點(diǎn)分到不同類別中。

分類的基本流程如圖2。

圖2

對分類結(jié)果進(jìn)行檢查。通過將點(diǎn)云按分類顯示、按高程顯示等方式，目視檢查分類后點(diǎn)云；對有疑問處用斷面圖進(jìn)行查詢，分析。

地面點(diǎn)檢查一般采用建立地面模型的方法進(jìn)行檢查。對模型上不連續(xù)、不光滑處，繪制斷面圖進(jìn)行查看。若有對應(yīng)影像，可用來輔助檢查分類的可靠性。主要可通過對以下內(nèi)容的檢查來保證點(diǎn)云分類的質(zhì)量：

點(diǎn)云分類是否正確；地面點(diǎn)云表面模型是否連續(xù)、光滑。

地面點(diǎn)的剖面圖形態(tài)是否合理；分類結(jié)果與對應(yīng)正射影像是否套合。

3.5 數(shù)據(jù)精化完成之后，進(jìn)行數(shù)字正射影像制作、高程模型制作、測繪數(shù)字線化圖以及橫、縱斷面工作。

4 昌景黃鐵路項(xiàng)目縱橫斷面作業(yè)情況

4.1 項(xiàng)目概況

新建昌景黃鐵路起自江西省南昌市南昌東站，經(jīng)上饒市、景德鎮(zhèn)市，安徽省黃山市，終至黃山北站。正線全長約286km，設(shè)站9座，預(yù)留樂平設(shè)站條件。同步新建南昌樞紐聯(lián)絡(luò)線約29.1km以及南昌樞紐、景德鎮(zhèn)地區(qū)、黃山地區(qū)相關(guān)配套工程等。

昌景黃定測階段縱斷面測量工作量為214.5km，橫斷面測量達(dá)4799個。

4.2 實(shí)測中存在的問題及原因分析

據(jù)昌景黃鐵路總體組反映昌景黃定測斷面精度不滿足要求，橫斷面與現(xiàn)場實(shí)測縱斷面中樁高程相差較大，根據(jù)各方反饋的情況，對內(nèi)外業(yè)斷面數(shù)據(jù)做了比較，認(rèn)為產(chǎn)生斷面誤差的原因主要為：

4.2.1 內(nèi)業(yè)、外業(yè)溝通不及時(shí)

內(nèi)業(yè)、外業(yè)未能進(jìn)行較好的協(xié)調(diào)、統(tǒng)一，各自提交橫、縱斷面成果，未能統(tǒng)一出口和檢核，造成交出的成果存在不一致現(xiàn)象。

4.2.2 斷面誤差統(tǒng)計(jì)方法問題

之前采用將激光雷達(dá)切取的橫斷面中樁高程與實(shí)測的橋梁縱斷面進(jìn)行對比。由于實(shí)測橋梁縱斷面上的地面點(diǎn)比較稀疏，不能詳實(shí)表現(xiàn)局部地形變化情況，故其實(shí)際上大部分情況是將激光橫斷面中樁高程與橋梁縱斷面的內(nèi)插高程進(jìn)行對比，導(dǎo)致在地形變坡處兩者高差較大。

高程點(diǎn)內(nèi)插獲取，理論上是可行的，但在縱斷面漏點(diǎn)的情況下，內(nèi)插獲取與實(shí)際高程會存在較大較差。

表1 超限點(diǎn)原因分析表

4.2.3 外業(yè)實(shí)測中樁存在粗差

對于實(shí)測中樁高程高于點(diǎn)云橫斷面中樁的情況，將實(shí)測中樁點(diǎn)加載到點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，發(fā)現(xiàn)部分實(shí)測中樁點(diǎn)位于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的樹梢上，這部分實(shí)測中樁點(diǎn)存在粗差或浮動點(diǎn)。

4.2.4 外業(yè)實(shí)測斷面中心高程與縱斷面內(nèi)插高程較差較大

實(shí)測斷面中心高程與縱斷面內(nèi)插高程對比相差較大，其原因同樣是因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)方法問題。

4.3 在昌景黃鐵路定測中機(jī)載LIDAR點(diǎn)云切的斷面和GPS RTK實(shí)測斷面對比

機(jī)載LIDAR在昌景黃定測勘測中起到復(fù)核勘測成果資料和點(diǎn)云切斷面的作用，一方面提高了勘測質(zhì)量，另一方面節(jié)省了外業(yè)投入，對勘測工期也起到極大的促進(jìn)作用，確實(shí)發(fā)揮了先進(jìn)勘測技術(shù)在一線的優(yōu)勢。我們用外業(yè)GPS RTK、機(jī)載LIDAR和地面LIDAR作了實(shí)測橫斷面比對。

選取的地段位于DK136+960-DK137+040共計(jì)80m范圍，該段是丘陵地區(qū)，線路左側(cè)為砍伐后幾乎裸露的山體和開挖的階梯，右側(cè)上層為20m左右高的松樹、下層是3m左右高的雜木林，比較茂密，比對了DK136+960、DK136+980、DK137+000、DK137+020、DK137+040 計(jì) 5 個橫斷面（其中DK136+960、DK136+980地面LIDAR不具備置鏡條件沒有測，DK137+020只測了左側(cè)部分），比對結(jié)果如下：

兩次的GPS RTK的數(shù)據(jù)比較接近（其中DK136+960左側(cè)最后一個點(diǎn)第一次測量錯誤，DK136+980因地質(zhì)鉆探開挖導(dǎo)致中線附近高程差值較大）；機(jī)載LIDAR與GPS RTK實(shí)測斷面的形狀是吻合的，點(diǎn)與點(diǎn)比對，最大誤差在2m左右，普遍稍高于GPS RTK實(shí)測地面線；地面LIDAR與GPS RTK實(shí)測斷面?zhèn)€別地方誤差比較大（4.4m），從勘測質(zhì)量和測量進(jìn)度上看，地面LIDAR在測量普通斷面上都沒有明顯優(yōu)勢。

對隧道1：500地形進(jìn)行了比對，選取了植被茂密、人跡罕至的DK153+100-DK153+200對外業(yè)來說也是很困難的地方處進(jìn)行比較，LIDAR做的1：500地形圖與外業(yè)GPS RTK吻合程度比較高，整體等高線更準(zhǔn)確；外業(yè)GPS RTK因受高程點(diǎn)范圍影響，在地形圖角落處（如DK153+100右側(cè)50m），等高線的形狀反而是錯誤的。

激光雷達(dá)在提高縱斷面精度的方面清晰可見，同時(shí)避免了實(shí)測時(shí)的疏漏或誤差，保證了勘測質(zhì)量。

5 結(jié)論

通過昌景黃鐵路定測中機(jī)載Lidar和GPS RTK實(shí)測縱橫斷面的對比，得出以下結(jié)論：①機(jī)載Lidar和GPS RTK實(shí)測形狀吻合，點(diǎn)與點(diǎn)的對比有一定誤差，機(jī)載lidar的精度更高；②在地形復(fù)雜、外業(yè)實(shí)測人員很難安全到達(dá)區(qū)域，機(jī)載lidar的優(yōu)勢更加明顯，確保工作的正常展開同時(shí)對安全生產(chǎn)起到了保證作用。

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