機載Lidar與正射影像在鐵路勘測中的結合應用

羅 琪

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

測繪是鐵路建設中不可或缺的重要手段，它貫穿鐵路工程的整個生命周期，為鐵路建設提供基礎數據。在勘察設計階段，鐵路勘測工作主要分為初測和定測，初測階段主要是地形圖測量，為初步設計提供基礎數據；定測階段主要是既有線測量與斷面測量，為施工設計提供詳細的測繪資料[1]。

常用的鐵路勘測方法是傳統(tǒng)測量方式與航空攝影測量方式。傳統(tǒng)測量方式是指使用GNSS-RTK等儀器進行實地測量，耗費大量的人力物力，且在山區(qū)危險性大。航空攝影測量是利用無人機航攝和地面像控點建立影像立體模型，并在立體模型上進行測量。該方法受天氣影響大，生產周期長，且在植被茂密的區(qū)域，測量精度低[2]。因此，如何高效且精確地獲取地形圖及斷面數據，成為了制約鐵路勘測項目進度的重點問題。

機載Lidar（Light Detection And Ranging）是集激光測距技術、全球定位系統(tǒng)（GNSS）和慣性導航系統(tǒng)（IMU）等于一體的新型遙感系統(tǒng)[3]。它的優(yōu)點是受天氣影響小、獲取數據速度快、數據精度高，且具有一定穿透性，可以透過茂密植被直接獲取地面數據[4-6]。因此，機載Lidar技術越來越廣泛地應用在各種鐵路勘測工程中。

同時，機載Lidar也具有一定的局限性，數據缺失了地物光譜信息，難以直觀地表達鐵路及周邊的地物特征。故本文將機載Lidar與正射影像相結合，利用兩種技術的優(yōu)勢，在實際鐵路勘測項目中應用，為鐵路設計提供高效率高精度的測繪基礎資料。

1 項目實施

項目位于廣西壯族自治區(qū)西南部沿海，屬于丘陵地貌類型，山區(qū)植被茂密，交通不便。鐵路勘測正線約61 km，支線若干，要求制作1∶500地形圖及橫縱斷面等。該項目地貌復雜，勘測任務重時間短，利用傳統(tǒng)航測方式無法滿足工期要求且工作難度大，在植被茂密的山區(qū)無法獲取高精度的地表信息。對現(xiàn)場工作認真分析后，決定采用機載Lidar與正射影像相結合的方式，完成地形圖繪制與斷面測量。

項目實施主要包括外業(yè)控制點與檢查點布設、空域申請與無人機航飛、內業(yè)數據處理、地形圖繪制與橫縱斷面采集等過程，具體的實施流程如圖1所示。

圖1 項目實施總體技術方案

2 數據處理與綜合應用

2.1 Lidar點云數據處理

機載Lidar數據處理主要包括兩部分：點云預處理和點云濾波。點云預處理可以獲得精確的點云三維坐標；點云濾波可以從點云數據中提取地面點，為后續(xù)生產提供基礎資料。

將基礎平面控制網作為基站，通過地面基站數據對機載雷達系統(tǒng)在飛行過程中獲取的GNSS和IMU數據進行差分計算，得到準確的飛行軌跡。機載Lidar的原始坐標系統(tǒng)與鐵路勘測項目的工程坐標系不同，高程基準為大地高而非1985高程[7-8]。因此，要通過基礎平面控制網對點云數據進行平面轉換和高程擬合，并利用外業(yè)實測點檢查精度，得到準確的點云數據。

常用的點云濾波算法有最小二乘擬合插值法、漸進不規(guī)則三角網法和數學形態(tài)學法等，本項目中使用Bentley公司出品的TerraSolid軟件進行點云濾波,在分類之前要對點云數據進行去噪，通過設置高程閾值將噪聲點剔除。

在TerraSolid軟件中，點云分類大致分為兩步：第一步是地面點初始分類。初始分類時地面點為空，通過設置范圍框大小，以每個范圍框中的最低點為起算點，根據設置的地形坡度、迭代角度和迭代距離等參數迭代計算，把處于設定閾值內的點云不斷分類到地面點，最終得到一個初始地面點模型。第二步是手動精分類。通過拉取剖面檢查是否有因為植被覆蓋和地形復雜而漏分錯分的地面點，手動設置起算種子點和計算范圍，可以進行二次分類，將漏分的點添加到地面點集合。經過以上反復操作，最終得到分類好的地面點數據。

2.2 基于Lidar數據生成正射影像

基于Lidar點云數據生產正射影像主要有以下4個步驟[9]：

第一步是獲取Lidar數據與航空影像。通過無人機搭載的高分辨率數碼相機和激光雷達系統(tǒng)，可以同時獲取航空影像和原始點云。經過數據處理得到精細化的Lidar點云數據。

第二步是通過精細Lidar點云數據生成不規(guī)則三角網，并結合測區(qū)內的建筑物等地物點云構建數字表面模型。

第三步是通過數字表面模型對航攝影像進行數字微分糾正，獲得粗正射影像，并檢測獲取測區(qū)內北地物遮蔽的區(qū)域。

第四步是利用航攝影像對遮蔽區(qū)域進行影像填充，得到完整準確的正射影像。

基于Lidar數據生成的正射影像，比傳統(tǒng)方式生產的正射影像質量更高，建筑物、架空橋梁等的平面位置更精確。

2.3 Lidar與正射影像結合應用實例

2.3.1 1∶500地形圖生產

本文將Lidar點云數據與正射影像相結合，通過Li dar點云為地形圖提供地形高程數據，對正射影像進行矢量化獲得地物平面位置，外業(yè)調繪定性，快速得到1:500地形圖成果[10]。

首先要對Lidar數據和正射影像進行匹配檢查，檢查平面位置貼合情況，如果兩者間存在一定差異，需要查明原因并重新進行數據處理。根據正射影像繪制地物，主要包括以下幾類：（1）建筑物，在正射影像上繪制建筑物的最外檐輪廓，確定形狀和面積，通過外業(yè)調繪標注材質和樓層。（2）水系，測區(qū)內的水系主要是溝渠，根據溝渠邊的實際輪廓繪制，注意部分溝渠邊需要繪制陡坎。（3）鐵軌、道路及橋梁，可根據正射影像直接繪制輪廓，鐵路橋等高度較高的地物存在一定投影誤差，解算后的Lidar點云是直接的三維坐標，可輔助判斷平面位置[11]。（4）地類界，根據影像和外業(yè)調繪判別不同植被區(qū)域，繪制地類界。（5）管線，根據外業(yè)調繪管線點位和管線屬性，在Lidar數據和正射影像上進行判讀繪制。

在TerraSolid軟件中，利用分類好的Lidar點云生成等高線，直接生成的等高線存在一定缺陷，線型不夠圓滑，有明顯的尖角凸起，需要手動對等高線進行編輯，使其更加流暢美觀。測區(qū)內的道路交叉口、坎上坎下等特殊位置需要根據點云數據標注高程，并按照圖上100 cm2范圍內5~20個點的密度對點云數據進行抽稀，作為地形圖高程點。利用Lidar點云數據與正射影像生產的1∶500地形圖精確表示測區(qū)內的地形地貌和地物特征，如果存在根據點云和影像都無法判讀和提取的獨立地物，需要用外業(yè)實測進行補充，最終成果如圖2所示。

圖2 正射影像與1:500地形圖

2.3.2 橫縱斷面采集

目前，在鐵路勘測項目中主要采用航空攝影測量方式采集斷面點，這種方法更適用于平坦裸露地表，能獲得較好的斷面成果。但鐵路勘測一般處于山區(qū)，有濃密植被覆蓋，航空攝影方式無法直接透過植被獲取地表信息，因此利用機載Lidar點云數據，更容易獲取數字地面模型，并通過相關軟件自動計算與提取橫縱斷面，大大節(jié)省了人力物力，提高了測量效率。

基于分類好的Lidar數據地面點，在TerraSolid軟件TerraScan模塊中輸入要求的斷面參數，例如橫斷面間距、斷面寬度、斷面點間隔和高程變化點提取方式等，軟件自動內插生成橫縱斷面，如圖3所示?？梢钥闯?，在裸露的地表如路邊，自動提取的斷面點貼合在Lidar地面點上，能精確地反映路面高程；在植被覆蓋區(qū)域，由于激光雷達具有一定穿透力，能穿過植被縫隙測量到地表；圖2最右側的溝渠，溝渠底點云被正確分類，故能直接生成斷面點。

圖3 TerraSolid軟件自動生成橫斷面

在實際的鐵路設計中，不僅要通過斷面點獲取地形變化和高程，還需要知道每條斷面穿過的特征地物類型。因此，需要給特征斷面點添加地物屬性，例如溝邊、路邊、房邊和坎上坎下等。通過正射影像輔助Lidar點云數據可以提取每個特征斷面點的地物屬性。本項目最終生成的斷面如圖4所示，能精確地反映測區(qū)地形地貌，并對特征地物點進行標注，更便于進行鐵路設計。

圖4 橫斷面成果圖

3 精度分析

3.1 點云數據精度分析

本鐵路勘測項目共獲取無人機Lidar數據27.4 km2，在測區(qū)內使用GNSS RTK儀器測量高程檢查點共365個，用于檢查Lidar點云高程精度。Lidar點云高程點精度統(tǒng)計見表1，發(fā)現(xiàn)實測高程與對應點云高程差值小于0.15 m的點有363個，占總數的99.45%，高程中誤差為0.055 m，完全滿足1∶500地形圖制圖要求；同時，根據《鐵路工程測量規(guī)范》，采用航測法測量橫斷面，高程精度限差為0.35 m，本項目Lidar點云數據滿足鐵路斷面測量要求。

表1 Lidar點云高程點精度統(tǒng)計

3.2 正射影像精度分析

本項目全線制作正射影像27 km2，為帶狀分布，共119幅影像。在測區(qū)內使用GNSS RTK儀器測量平面檢查點共102個，點位均勻分布可用于檢查正射影像平面精度，統(tǒng)計結果見表2。可以看出，絕大部分檢查點平面差值小于0.1 m，占點數的85.29%；少數點平面差值超過0.2 m，占點數的6.87%。本項目正射影像平面中誤差為0.103 m，小于數字正射影像成圖規(guī)范要求，也小于1:500地形圖制圖規(guī)范要求，精度滿足規(guī)范要求，制圖平面精度較高。

表2 正射影像平面精度統(tǒng)計

4 結束語

相比于傳統(tǒng)的航空攝影測量，機載Lidar技術可以不受天氣和光線的影響快速獲取地表信息，大大減少了飛行作業(yè)時間，提高了探測效率。同時，機載雷達系統(tǒng)發(fā)射的激光脈沖信號具有一定的穿透力，在植被茂密的山區(qū)能穿透縫隙直達地表，減少信息損失獲取準確地表模型。本文在實際鐵路勘測項目中，利用Lidar數據和航攝影像生成正射影像，彌補了Lidar數據光譜信息的缺失，進行1：500地形圖和線路橫斷面生產。

通過對正射影像及Lidar點云數據的精度分析，可以得到以下結論：一是機載Lidar技術能獲取大量高精度的地表信息，滿足1∶500地形圖的高程精度要求和鐵路勘測的斷面測量要求。二是基于高精度Lidar點云數據生成的正射影像具有較高的平面精度，可以作為底圖繪制測區(qū)地物，能滿足1∶500地形圖的平面精度要求。三是將機載Lidar數據與正射影像在鐵路勘測項目中綜合應用，自動化程度高，減少了內外業(yè)人力物力，提高了測量效率。綜上所述，機載Lidar與正射影像相結合的測量方式，可廣泛應用在鐵路勘測項目中。