輕小型激光雷達在鐵路勘測中的應用研究

李平蒼

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

目前，鐵路勘察項目的航空攝影多采用機載激光雷達掃描儀或大幅面數碼航攝儀，但該兩類航攝儀對搭載的飛行平臺要求較高(一般為“運5 ”、“運12”、塞斯納208等大型運輸機)，航空攝影作業(yè)時，受空域和天氣影響較大，并且只能在專用機場起降。一般鐵路項目從空域申請到航飛作業(yè)完成需要兩個月左右的時間，航飛作業(yè)周期較長。對于一些小型鐵路項目，航飛批文辦理周期過長成為制約項目按期完成的關鍵因素。有必要針對其勘測周期短、航飛工作量小的特點，研究一套快速獲取航飛數據的方案，滿足小型鐵路項目勘測周期短的要求。另外，既有鐵路測繪多為上線作業(yè)，工作效率較低，安全風險較大，且需獲得鐵路管理部門的批準，給既有鐵路測繪工作帶來很大困難。因此，輕小型激光雷達在既有鐵路測繪領域有很好的應用前景。

近幾年出現的輕小型激光雷達掃描儀具有重量輕、體形小，可以搭載于三角翼、小型固定翼飛機甚至無人機上，無需專用機場，起降靈活，飛行高度低，受天氣和空域影響小，可飛行天數多等優(yōu)點，可低空飛行，獲取高精度、足夠密度的激光點云，適合短小鐵路項目工期短的特點。

輕小型激光雷達在電力行業(yè)有過一些應用的案例，主要用于地形圖測繪、電力線巡檢等方面，對于精度的要求不是很高，平面和高程精度一般為20～30 cm。既有鐵路測繪對精度要求較高，激光雷達以往的作業(yè)模式無法滿足精度要求，如何將激光點云精度提高到5 cm以內還沒有成功的應用案例。以下通過對輕小型激光雷達技術在鐵路勘測項目不同階段的應用試驗，研究其技術作業(yè)流程和精度控制方案。

1 輕小型激光雷達系統的構成與特點

輕小型激光雷達系統由激光掃描儀、GNSS/IMU慣性導航系統(POS系統)、數碼相機、系統控制及數據存儲組件等組成。激光掃描儀通過發(fā)射激光獲取地面三維點云坐標信息；POS系統能夠實時記錄設備在空中的準確位置姿態(tài)，數碼相機可以獲取地面的影像信息。

輕小型激光雷達系統體型小、重量輕(重量從幾公斤到二十公斤不等)。對搭載飛行器要求低(可以搭載于動力三角翼、小型固定翼飛機、多旋翼無人機等小型飛行器)，操作靈活方便，適合于低空小范圍的項目作業(yè)(如圖1所示)。

圖1 輕小型激光雷達系統

2 輕小型激光雷達系統的優(yōu)勢分析

2.1 使用方便

相較于大型機載激光雷達系統，輕小型激光雷達系統體形小、重量輕，搭載于小型飛行器上就可以完成數據獲取，執(zhí)行任務時不需要專門機場，起降靈活，轉場方便，受機場、航線影響小。

2.2 空域申請簡單

傳統機載激光雷達設備執(zhí)行航飛任務時需要搭載于大型運輸機上，其航飛高度一般在600 m以上，空域審批需要15～30 d。而輕小型激光雷達航飛高度一般都在500 m以下，對航線影響小，空域審批一般僅需2～3 d。

2.3 有效航飛天數多

搭載小型激光雷達的小型飛行器飛行高度較低，受天氣影響較小，可以在陰天及能見度較高的霧霾天氣下飛行并獲取滿足項目要求的數據，甚至可以在多云的天氣下進行云下飛行?？傮w來說，與大型航攝設備相比，可開展航飛作業(yè)的有效天數多，便于在較短的時間內完成航飛作業(yè)。

3 輕小型激光雷達在鐵路勘測中的適用性分析

3.1 適合項目補飛

鐵路勘察項目一般會在初測前利用大幅面數碼航攝儀進行大范圍的航空攝影，航飛寬度一般為線路兩側各3 km，主要是完成鐵路沿線1∶10 000比例地形圖和1∶2 000比例地形圖，可滿足鐵路項目可行性研究的需求。隨著方案的穩(wěn)定，在項目定測時，再組織一次機載激光雷達航飛，航飛寬度一般為線路兩側各500 m，主要進行鐵路定測時橫斷面、工點地形和部分專項測繪工作，滿足鐵路初步設計和BIM應用的需要。

無論是初測還是定測階段，隨著現場調查的深入和方案的優(yōu)化，方案局部調整出航帶的現象時有發(fā)生，多發(fā)生在中檢前后。此時臨近項目驗收，時間非常緊張。從時間和費用上考慮，都不宜再次組織大飛機進場補飛。而人工測量投入大、效率低，無法滿足工期需要。輕小型激光雷達操作簡便、攜帶方便，批文辦理周期短，能夠快速獲取數據，非常適合項目補飛工作。

3.2 適合短小項目航飛

在鐵路勘察項目中，經常會遇到一些十幾公里，幾十公里長的專用線、聯絡線等短小鐵路項目。該類項目初定測工期短，大飛機航飛無法滿足項目的工期要求；另外，由于航飛面積小，測線少，調機和協調費用將成為整個航飛項目的主要費用，造成航飛單價過高。

輕小型激光雷達批文申請簡單，無調機費用，航飛操作靈活，非常適合短小項目的航飛工作，不僅能節(jié)省費用，還能大幅縮短航飛周期。

3.3 解決既有鐵路上線難問題

測繪人員在既有鐵路線上進行相關的測量工作，需要經過審批方可上線，還需要按要求配備大量的防護人員，高速鐵路上線開展測量工作的時間只能是列車停運的天窗時間(1：00～4：00)，作業(yè)時間非常短。利用無人機搭載輕小型激光雷達低空飛行，獲取足夠密的激光點云數據，將大部分既有鐵路上線測量工作由外業(yè)轉為內業(yè)完成，不僅提高了工作效率，還大幅降低了上線測量的安全風險。

4 輕小型激光雷達在鐵路項目中的應用

4.1 北方某鐵路初測項目

該鐵路處于平原地區(qū)，全長568 km。2016年初，利用大幅面數碼航攝儀DMC II 230進行了全線航空攝影(影像地面分辨率優(yōu)于0.2 m)，完成了全線的1∶10 000和1∶2 000比例地形圖測繪。由于方案調整，有兩處共計70 km線路出了既有航帶。對于70 km的補飛工作量，如果采用大飛機搭載DMC II 230數碼航攝儀進行補飛，不僅費用昂貴，而且時間很難保證。故采用小型的固定翼飛機搭載RIEGL VUX-1小型激光雷達進行補飛，航飛高度約為350 m(由于項目緊急，在陰天情況下進行了航飛作業(yè))。獲得了高精度的數字高程模型(DEM)；利用攝影測量軟件制作了鐵路沿線數字正射影像圖(DOM)。利用DEM、DOM完成了1∶2 000比例地形圖，保證了鐵路初測工作的順利開展。

4.2 南方某鐵路定測

該鐵路位于南方山區(qū)，全長76 km，測區(qū)地形復雜，植被茂密，給鐵路定測工作帶來較大困難。采用動力三角翼搭載HawKScan HS-1200小型激光雷達進行航飛作業(yè)，航飛高度約為450 m，獲取了測區(qū)的激光點云和影像。本項目共設計86條航線(總長682 km)，一周時間內，完成了航飛作業(yè)。利用航飛數據對既有的1∶2 000比例地形圖進行了修測，完成了全線定測橫斷面和工點地形的測繪，影像和激光點云如圖2所示。

圖2 影像與點云對照

測區(qū)屬于高山地區(qū)且植被茂密，為檢核雷達數據精度，在現場實測了大量高程點，對激光點云的精度進行了統計分析，結果如表1和圖3所示。

表1 激光點高程精度統計

圖3 差值分布

對激光點云、影像及現場數據進行了分析，差值大于1.0 m的點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點較少，數模精度低)；差值在0.5～1.0 m的點位多在植被茂密區(qū)或陡坎缺點處；差值在0.5～0.3 m的點位多位于陡坎處。

4.3 某鐵路樞紐既有線測繪

為研究某樞紐鐵路線引入的問題，需對樞紐內長20 km的既有鐵路線進行平面測繪、中平測量、橫斷面測繪等工作。由于上線申請一直未獲批，無法上線開展既有線測繪工作。經過充分研究，采用八旋翼無人機搭載LiAir Pro小型激光雷達對測區(qū)進行了高密度激光點云數據獲取。相對航高控制點在50～100 m，激光點云密度不低于240點/m2?？紤]鐵路運營安全，航線布設于鐵路線兩側，距離鐵路外軌距離不少于20 m，以避免無人機掉在鐵路線上。獲取的鐵路沿線密集的激光點云如圖4和圖5所示。

圖4 激光點云(俯視)

圖5 激光點云截面

為了提高激光雷達點的平面和高程精度，航飛時，地面基站不少于兩個，無人機離其中一個基站的距離不超過10 km。同時，在測區(qū)內沿著鐵路線方向，在鐵路兩側每2 km各布設一對“米”字形支架和一對“九宮格”地面標志?！懊住弊中沃Ъ転榧す饫走_平面檢測裝置，需架設于GPS控制點上，其目的是通過該裝置精確提取出目標點的中心位置，作為激光點云平面改正的控制點；在平坦地面上布設的“九宮格”地面標志，需要采用不低于四等水準測量方式測出每個“九宮格”地面標志點的高程，通過計算“九宮格”水準面和激光點高程面差值達到改正激光點云高程誤差的目的。通過以上的改正，可以大幅提高激光點的平面和高程精度(如圖6、圖7所示)。

圖6 “米”字形支架

圖7 九宮格標志

利用高精度的激光點云提取出軌頂中心位置，擬合出鐵路中心三維線。線路上任意一點的三維坐標點位中誤差可以控制在5 cm以內，可以完成平面測繪、橫斷面測量和部分中平測量工作(中平測量誤差略超出規(guī)范要求，還不能完全采用該方法進行中平測量)，減少上線測量工作量70%以上，提高了工作效率。激光點精度統計如圖8、圖9所示。

圖8 平面精度折線

圖9 高程精度折線

5 結論

輕小型激光雷達可以方便地搭載于三角翼、無人機等小型飛行器上，無需專用機場，起降更靈活，空域申請周期可以縮短80%以上，受空域和天氣影響較小，能夠快速開展航飛作業(yè)，適合鐵路項目初測階段1∶10 000和1∶2 000比例地形圖測繪，定測階段橫斷面、工點地形和專項測繪等工作。利用無人機激光雷達獲取鐵路沿線高密度的激光點云數據，通過誤差改正，可以滿足既有鐵路平面測繪、斷面測量以及部分中平測量等工作，大幅減少上線測量時間，降低了既有鐵路上線難帶來的影響。