“無人機+激光雷達”在集通線復(fù)測中的應(yīng)用

呂曉煜

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300251)

1 研究背景

鐵路既有線復(fù)測是一項較為復(fù)雜的工作，其主要工作包含：新建鐵路與既有線接軌、曲線要素推算、撥距量計算、地形圖修測、橋梁上跨下鉆測量等。

傳統(tǒng)既有線復(fù)測多采用鋼尺、絕緣尺丈量里程，采用全站儀測量距離、偏角，使用GNSS RTK測量中線坐標(biāo)，使用水準(zhǔn)儀抄平。傳統(tǒng)既有線測量方法具有精度較好、技術(shù)流程成熟等優(yōu)點，但存在安全性差、上線困難、效率較低等問題：在直線地段，采用GNSS RTK測量中線坐標(biāo)精度與效率較好，但在曲線段，其相對精度很難達到設(shè)計要求；如果遇到GNSS星歷狀態(tài)不好時，受限區(qū)域較多；絕緣尺丈量精度較低，全站儀丈量雖然精度好，但效率無法保障[1-3]。

近年來，許多學(xué)者針對既有線復(fù)測提出了一些新方法，如徐進軍等將軌道狀態(tài)測量儀應(yīng)用于既有線復(fù)測，并提出采用零級電子軌距尺進行軌道測量[4]，該方法具有自動化程度好、測量精度高等優(yōu)點，但是基于高速鐵路研制的軌道測量儀裝備移動復(fù)雜，且只能在運營天窗內(nèi)上線作業(yè)，難以適應(yīng)常規(guī)普速有砟鐵路天窗點少且時間短的現(xiàn)狀。 周禹昆等研發(fā)了GNSS RTK既有線測量小車[5]，其優(yōu)點是集成了傳統(tǒng)測量的GNSS RTK、方尺、支撐架、絕緣尺等設(shè)備，整體作業(yè)效率有較大的提高；其缺點是在曲線段落丈量精度較低，且作業(yè)效率有所降低。隨著激光雷達的發(fā)展和普及，也有部分學(xué)者嘗試采用車載激光雷達小車進行既有線復(fù)測[6]，該方法具有自動化程度高、數(shù)據(jù)信息量大、效率高等特點，但需要安裝掃描標(biāo)靶，控制測量工作較大，且設(shè)備拆裝較為復(fù)雜。

不難看出，以上方法均需要上線作業(yè)，作業(yè)前需要與既有線運營管理部門簽訂上線安全管理協(xié)議，手續(xù)繁瑣。另外，線上作業(yè)時需工務(wù)人員配合，且受天窗時間限制，測量人員設(shè)備不能充分得到利用。

未來既有線測量向著自動化、高精度、非接觸、大數(shù)據(jù)、高效率的方向發(fā)展，隨著無人機技術(shù)和輕型機載LIDAR技術(shù)的快速發(fā)展，使得既有線復(fù)測工作有可能變得方便、快捷[7]。

2 激光雷達的特點

雷達系統(tǒng)采用激光作為傳感的載體，測量精度和效率較高。由于激光波長很短，可以對極小的目標(biāo)進行探測；而且激光雷達抗干擾能力強，不易受電波、地波的干擾，對多路徑效應(yīng)和等離子層的干擾也不敏感[8]。

由于航高原因，常規(guī)載人機的激光雷達通常只能得到稀疏點云；無人機平臺的機載激光雷達由于航高低，將獲得可觀的點云數(shù)據(jù)。值得指出的是，無人機激光雷達無需上線作業(yè)且拆裝方便，與鐵路運營管理部門簽訂簡單的協(xié)議后即可作業(yè)；無人機起飛場地受限小，作業(yè)靈活度和時間效率大幅提高。

3 無人機激光雷達數(shù)據(jù)采集與處理試驗

目前，無人機機載激光雷達在既有線中的應(yīng)用仍處于起步階段，暫無大面積應(yīng)用先例和規(guī)范。為驗證其可行性與精度，設(shè)計了一套既有線復(fù)測的數(shù)據(jù)獲取和處理方案。

本次集通線試驗設(shè)備選用，經(jīng)過多次比選，決定采用多旋翼無人機，該機型是一種具備垂直升降、懸停性能優(yōu)異、移動靈活、機械結(jié)構(gòu)緊密地小型無人飛行器，其有效載荷能達到8～10 kg，搭載RIEGL VUX_SYS系統(tǒng)后，單架次航飛時間約為20 min。飛行前，將設(shè)計航飛相關(guān)參數(shù)導(dǎo)入無人機系統(tǒng)即可實現(xiàn)自動數(shù)據(jù)獲取，試驗段線路里程全長10 km，累計飛行3架次。

3.1 設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

航飛相對高度為50 m，巡航速度為4.8 m/s， 航線間距為100 m，飛行區(qū)域按照預(yù)先航帶設(shè)計導(dǎo)入并自動飛行。飛行過程中，應(yīng)保證線路左右各有一條航帶數(shù)據(jù)，原則上增加了既有線曲線段上的航線。系統(tǒng)搭載的激光發(fā)射器發(fā)射頻率為200 kHz，IMU標(biāo)稱精度為0.015°，設(shè)計點密度為240 pts/m2，單航帶實際點密度約為100 pts/m2，航飛后實際獲取的點密度約為300 pts/m2。

3.2 基站布設(shè)

為保證無人機激光雷達掃描測量和GNSS/IMU技術(shù)的實施，需要在地面布設(shè)GNSS基站，并架設(shè)高精度GNSS信號接收機，與機載POS系統(tǒng)內(nèi)置GNSS接收機同步進行GNSS觀測，以實現(xiàn)動態(tài)DGPS相位差分測量定位。在鐵路工程GNSS測量中，單個GNSS基站覆蓋半徑通常為50～300 km[9]。本次試驗中，為確保得到高精度的激光點云數(shù)據(jù)，相鄰GNSS基站間隔不大于5 km。

3.3 點云精度改正標(biāo)志

測段范圍內(nèi)，平均每500 m布設(shè)1對平高控制點，分布于鐵路兩側(cè)。每個點位處，依次布設(shè)2個“米字形”激光雷達平面靶標(biāo)，平面靶標(biāo)采用2根鋁桿交叉一定角度并安置于三腳架上[10]，目的是通過該裝置精確提取靶標(biāo)中心點位置，并將其作為點云平面改正的控制基礎(chǔ)[11]。為盡可能準(zhǔn)確計算激光點云與高程控制測量成果之間的系統(tǒng)差值，在平坦地面上，采用類似“九宮格”的方式布設(shè)高程控制點，用于改正高程精度，“米字形”平面靶標(biāo)和“九宮格”控制點的布設(shè)如圖1所示。

圖1 “米字形”靶標(biāo)與“九宮格”點

所有布設(shè)的點位通過噴漆或者畫筆描繪的方式標(biāo)識，以便后期進行控制測量，高程控制測量采用三等水準(zhǔn)測量，平面控制測量采用GNSS快速靜態(tài)測量，全線控制點成果通過整網(wǎng)平差計算得到。

3.4 激光點云數(shù)據(jù)掃描與處理

標(biāo)志布設(shè)完成后，即可開展既有線點云數(shù)據(jù)獲取工作，掃描過程中，無人機按預(yù)先設(shè)計的航線勻速飛行，激光點云數(shù)據(jù)處理的內(nèi)容包括：航跡解算，點云航帶裁剪與平差，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，點云精化，精度評價等[12]，數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖2 點云數(shù)據(jù)處理流程

3.5 激光雷達點云數(shù)據(jù)精化

初始DGPS/IMU聯(lián)合平差后輸出的激光點云難以達到既有線測量精度，故采用沿線布設(shè)的“米字形”平面靶標(biāo)和“九宮格”高程控制點來提高激光點云的測量精度，點云平面坐標(biāo)修正可采用

X=a1x0+b1y0+c1

Y=a2x0+b2y0+c2

(1)

式中，X，Y為修正前坐標(biāo)；x0，y0為修正后的坐標(biāo)；a1，a2，b1，b2，c1，c2為仿射變換參數(shù)。

“米字形”靶標(biāo)提取過程為：提取單條鋁桿點云并進行濾波分類，采用最小二乘法對分類提取的兩條鋁桿點坐標(biāo)進行線性擬合，再用擬合出的兩條線性方程求交點坐標(biāo)。

激光點云高程的修正方法采用基于“九宮格”的高程擬合面進行改正，首先計算“九宮格”中所有點與其激光點云高程的差值dzi(其中i=1，2，3，…，9)，然后采用式(2)求解沿線每處“九宮格”高程異常平均值δ，最后通過全線的高程異常均值建立改正模型進行改正。

(2)

3.6 既有線特征提取與軌面擬合

精化后的激光點云數(shù)據(jù)可用于鐵路既有線信息提取，軌面信息特征提取的基礎(chǔ)工作是激光點云的濾波分類，依次對全線范圍內(nèi)所有的軌面進行濾波分類，圖3為其頂視圖精細(xì)分類成果。

圖3 軌面特征分類部分結(jié)果

分類后的軌面激光點云數(shù)據(jù)包含大量粗差點，需選取特征點進行軌面擬合，擬合的結(jié)果為1組離散的坐標(biāo)點，用于待求里程坐標(biāo)的平差。提取特征點采用人工方式，以3～5 m的間隔，依次確定左右軌面中心特征點。隨后，對中心特征點的軌面數(shù)據(jù)構(gòu)建三角網(wǎng)，逐點判斷擬合點在三角網(wǎng)中的位置，并基于坡度、位置等幾何關(guān)系，再次剔除粗差點。提取軌面中心特征點后，根據(jù)直線段50 m 1個點，曲線段20 m 1個點建立對應(yīng)未知關(guān)系，導(dǎo)入既有線測量軟件中進行平差計算(見圖4)[13]，平差后的結(jié)果為里程、坐標(biāo)、高程。

圖4 既有線中線坐標(biāo)平差

4 精度分析

為驗證新方法在既有線軌面坐標(biāo)提取精度，采用常規(guī)測量方法對其進行驗證。試驗線路區(qū)間兩側(cè)共布設(shè)米字平面靶標(biāo)控制點22個，九宮格高程控制點225個。

平面測量采用GNSS-RTK采集，有效觀測時間大于20 s，高程采用四等水準(zhǔn)測量。共采集平面有效檢測點41個，高程有效檢測點32個。作為試驗參照組，未精化激光點云數(shù)據(jù)與常規(guī)實測的檢查點對比精度統(tǒng)計如表1所示。

表1 未精化激光點云數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計 m

經(jīng)平面和高程精化后，將點云數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)進行比較，其精度統(tǒng)計如表2所示。

表2 精化后激光點云數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計 m

統(tǒng)計結(jié)果顯示，精化后的軌面坐標(biāo)精度有顯著提高，利用平差后的坐標(biāo)成果與查詢的既有線平面曲線參數(shù)進行撥距計算與橫縱斷面測量，其軌面平面、高程精度能夠滿足既有線一般工程的計算需要[14-15]。

5 結(jié)論

(1)輕型激光雷達可以搭載于旋翼無人機平臺，經(jīng)過系統(tǒng)集成和改造后，其測量成果可應(yīng)用于鋪速有砟既有線一般工程的常規(guī)作業(yè)，但不可用于施工和接軌。

(2)無人機機載激光雷達技術(shù)具有周期短、效率高、安全性好、勞動強度低和作業(yè)靈活等優(yōu)勢，可以彌補傳統(tǒng)測量的不足。

(3)在每500 m布設(shè)1對控制點的情況下，采用米字形靶標(biāo)平面控制點和九宮格高程控制點進行點云精度改正，其平面和高程中誤差為3 cm和3.4 cm。