結(jié)合傾斜攝影與地面LiDAR的鐵路工點勘察方法

李海亮

1中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢，430063

丘陵、山區(qū)占我國總國土面積的65%，因此山區(qū)鐵路眾多，山區(qū)鐵路因地形、地質(zhì)復(fù)雜，給勘察設(shè)計帶來許多困難［1］。其中，困難復(fù)雜工點（隧道口、橋址等）勘察是鐵路工程建設(shè)中的一個重要環(huán)節(jié)，對鐵路建設(shè)和運維意義重大［2］。

目前工點勘察主要依靠全站儀、GPS等常規(guī)測繪方法人工實地完成，但很多鐵路工點環(huán)境險峻，采用常規(guī)方法工作效率低、安全風(fēng)險大、開展困難，存在很大的限制［3］；文獻［4］分析了遙感技術(shù)在鐵路新線勘測中的作用；文獻［5］將無人機三維影像技術(shù)應(yīng)用于鐵路勘察中，有效提高了勘察效率；張逆進［6］利用傾斜攝影技術(shù)建立工點三維模型，提高勘測效率；鄭史芳等［7］利用傾斜攝影技術(shù)進行地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警，能有效減少人工實地勘察的工作量，提高勘察效率；文獻［8］將傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害研究中，傳統(tǒng)方法容易出現(xiàn)視覺誤差和死角，難以全面對地質(zhì)災(zāi)害進行判斷，而傾斜攝影可以從多個角度進行觀察，進行定量分析。激光雷達作為一種新型的非接觸主動測量設(shè)備，可以快速獲取被測目標的三維點云模型，對于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查具有很好的效果［9］；同時基于點云模型可以準確地測繪地形圖和斷面［10］。文獻［11］利用Google Earth衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行鐵路勘察設(shè)計，為鐵路選線設(shè)計提供了一種便捷方法；文獻［12］利用無人機攝影測量技術(shù)進行大高差鐵路工程施工測量，提高測量效率和質(zhì)量；文獻［13］利用三維激光掃描技術(shù)進行危巖落實勘測，能有效提取危巖落實區(qū)的地質(zhì)信息，進行穩(wěn)定性評估。

傾斜攝影和地面激光雷達技術(shù)雖然廣泛應(yīng)用于鐵路勘察中，但仍存在一定的局限性。傾斜攝影對近地區(qū)域及遮擋區(qū)域勘察能力弱，精度不高。地面LiDAR能快速獲取近地區(qū)域及遮擋區(qū)域的高精度點云，同時能生產(chǎn)高精度地形圖及斷面圖，但地面激光雷達在高空區(qū)域勘察能力弱，效率不高。針對兩種技術(shù)的特點，本文提出了一種結(jié)合傾斜攝影與地面激光雷達技術(shù)的精細工點勘察方法，實現(xiàn)兩種先進技術(shù)的優(yōu)勢互補，能有效提高鐵路工點勘察的自動化程度，具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢和社會效益。

1 工點勘察方法與流程

1.1 鐵路工點勘察方法

鐵路工點勘察有別于一般的測繪工作，不僅要精確的測繪地形圖和斷面（高程精度要求優(yōu)于0.175 m），同時還要能夠準確還原工程現(xiàn)場，為工程精細設(shè)計提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

傾斜攝影技術(shù)是利用傾斜航空相機獲取地物信息的一種新型航空攝影方式，該技術(shù)通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，獲取垂直、側(cè)視等不同的角度的紋理數(shù)據(jù)，通過計算機自動化三維建模，還原現(xiàn)實世界，為設(shè)計師沉浸式設(shè)計提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

激光雷達作為一種新型的獲取目標三維信息的設(shè)備，正逐漸應(yīng)用于我國基礎(chǔ)建設(shè)的各個領(lǐng)域。其中，地面激光雷達技術(shù)由于使用靜態(tài)平臺、便于攜帶而具有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。地面激光雷達技術(shù)可以快速獲取被測目標的三維點云模型，該技術(shù)通過穿透植被可以獲取高精度的地形數(shù)據(jù)，從而準確計算工程數(shù)量。

傾斜攝影技術(shù)和地面激光雷達技術(shù)都是以建立三維模型為目標，兩者相比較，傾斜攝影技術(shù)在模型的真實感方面具有優(yōu)勢，基于傾斜攝影建立的模型可以進行高質(zhì)量的解譯；地面激光雷達在模型的精度上占優(yōu)，基于地面激光雷達建立的模型可以進行高精度的測繪。結(jié)合傾斜攝影和地面激光雷達技術(shù)，正是將兩種技術(shù)優(yōu)勢互補，既可精確地提供定量設(shè)計所需的高精度地形數(shù)據(jù)，又可逼真地還原工程設(shè)計所需的工程現(xiàn)場。

1.2 鐵路工點勘察流程

1）外業(yè)數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理。利用無人機及地面LiDAR獲取工點傾斜影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)和點云數(shù)據(jù)，并對點云數(shù)據(jù)進行去噪、配準、賦色等工作。對配準后的點云進行分類，將激光點云分為初始點類、地面點類、植被類、人工構(gòu)造物類和其他類5個類別。

2）結(jié)合傾斜攝影與地面LiDAR的三維建模。利用傾斜影像，POS數(shù)據(jù)、人工控制點以及激光點云生成的控制點進行自動空中三角測量，加密控制點。根據(jù)高精度的影像匹配算法，自動匹配出所有影像中的同名點，并從影像中抽取更多的特征點構(gòu)成密集點云，從而更精確地表達地物的細節(jié)。將攝區(qū)分割成多個模型小塊進行處理，對每個區(qū)塊內(nèi)模型精細構(gòu)網(wǎng)，生成白模；從影像中計算對應(yīng)的紋理，并自動將紋理映射到對應(yīng)的白模上，形成真實三維場景。對遮擋區(qū)域及異形結(jié)構(gòu)，利用激光點云數(shù)據(jù)進行三維模型重建；與傾斜攝影建立的模型進行集成，建立工點的真三維模型。

3）危巖落石解譯及因子提取。基于實景三維模型建立危巖落石、節(jié)理裂隙構(gòu)造、地層巖性等遙感解譯標志，提取危巖落石類型、空間位置、規(guī)模大小、滾動方向等信息。

基于實景三維模型提取幾何參數(shù)因子及目標區(qū)的危巖落石條件因子。幾何參數(shù)因子主要包括邊坡高度、相對高差、危巖落石尺寸（直徑大?。?、坡度、坡向等；條件因子主要為危巖落石體積、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、節(jié)理裂隙組合情況、巖體破碎程度、風(fēng)化侵蝕情況等。最后針對解譯及因子提取結(jié)果給予處置措施。

4）工點地形圖生成。首先利用真三維模型量測地物點，對于遮擋區(qū)域，通過點云數(shù)據(jù)提取測區(qū)地物點；以分類后的地面點云數(shù)據(jù)生成等高線、加密高程點，獲取地貌信息。將等高線、高程點和地物矢量導(dǎo)入到大比例尺測圖軟件中進行編繪、整飾，形成最終的工點地形圖。

5）危巖斷面生成。根據(jù)危巖落石區(qū)域解譯結(jié)果，利用激光雷達數(shù)據(jù)提取危巖落石處設(shè)計所需的橫斷面，并將危巖落石信息標注在橫斷面線上。

2 工程實例應(yīng)用

2.1 工程概況

衢寧鐵路是典型的山區(qū)鐵路，橋隧眾多，隧道口及橋臺處常常存在眾多危巖落石，給鐵路的施工和后期運營帶來了很大的隱患。地面激光雷達技術(shù)和無人機技術(shù)是近年來出現(xiàn)的新技術(shù)，結(jié)合兩種技術(shù)可大面積、高分辨率快速獲取工點的三維數(shù)據(jù)，為危巖落石調(diào)查和整治提供了一種全新的技術(shù)手段。

2.2 作業(yè)流程

1）數(shù)據(jù)預(yù)處理。獲取工點傾斜影像數(shù)據(jù)以及地面激光雷達點云數(shù)據(jù)后，利用反射標靶將激光點云配準到統(tǒng)一的工程坐標系下，進行并利用影像數(shù)據(jù)對原始點云賦色，并對點云進行分類。如圖1所示，圖1（a）為原始點云強度圖；圖1（b）為工點對應(yīng)的傾斜影像數(shù)據(jù)；圖1（c）為賦予顏色之后的點云。

圖1 激光雷達數(shù)據(jù)成果Fig.1 LiDAR Data Achievements

2）工點真三維模型重建。利用人工設(shè)置的地面控制點以及激光點云生成的控制點對傾斜影像進行定位定姿，并利用激光點云數(shù)據(jù)實現(xiàn)遮擋區(qū)域及異形結(jié)構(gòu)的三維重建，與傾斜影像建立的實景模型融合，建立測區(qū)真三維模型。如圖2所示，圖2（a）為人工布設(shè)的地面控制點，結(jié)合激光點云生成的控制點即可對傾斜影像進行三維重建；圖2（b）為建立的測區(qū)真三維模型，模型具有精度高、逼真等優(yōu)點，真實還原了工程現(xiàn)場，為困難復(fù)雜工點勘察設(shè)計提供了最優(yōu)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖2 地面控制點及工點三維實景模型Fig.2 3D Real Scene Model of Construction Site

3）危巖落石解譯。根據(jù)危巖落石的色調(diào)、紋理、亮度等通用遙感機理特征，在實景三維模型中進行危巖落石信息的提取，包括人工或人機交互式信息提取，確定其分布范圍、規(guī)模大小、空間形態(tài)和位置。如圖3所示，在三維模型上對危巖裂縫進行解譯，并對解譯結(jié)果進行分類編號，解譯結(jié)果共分為裂縫和危巖兩大類，有效查明了危巖體、節(jié)理裂隙的發(fā)育趨勢、分布狀況及其空間形態(tài)和空間位置，為邊坡防護設(shè)計提供了詳細的地質(zhì)資料。

圖3 危巖落石解譯Fig.3 Identification of Dangerous Rock Falling

4）工點地形圖及斷面生成。利用分類后的地面點云生成DEM（digital elevation model），獲取地貌信息。對三維模型進行地物量測，同時利用點云數(shù)據(jù)獲取遮擋區(qū)域地物信息。將地貌信息和地物點導(dǎo)入到Cass成圖軟件中編繪整飾，生成高精度的大比例尺工點地形圖，如圖4（a）所示。利用激光雷達數(shù)據(jù)提取危巖落石處置設(shè)計所需的橫斷面，如圖4（b）所示，并將危巖落石信息標注在地形圖及橫斷面線上。

圖4 工點地形圖及斷面結(jié)果Fig.4 Topographic Map and Section Results of Construction Site

2.3 效益分析

1）精度高。在工程現(xiàn)場采用GPS-RTK（realtime kinematic）測量了6個平面檢查點，30個高程檢查點，經(jīng)檢測地面激光雷達平面精度為0.09 m，高程精度為0.15 m，傾斜攝影平面精度為0.08 m，裸露處高程精度為0.11 m，完全滿足鐵路工點勘察的精度要求。

2）效率高。結(jié)合傾斜攝影與地面LiDAR的工點勘察方法相比于傳統(tǒng)方法，效率提高10倍以上。

3）信息量豐富，可回溯性強。該方法完美結(jié)合了傾斜攝影與地面LiDAR技術(shù)的優(yōu)點，可一次性獲取工點的全息三維數(shù)據(jù)，信息量非常豐富，可隨時對數(shù)據(jù)進行回溯。

4）安全性好。采用該方法無需調(diào)查人員攀爬陡峭的山坡，保證了調(diào)查人員的人身安全，同時對于運營的鐵路線也可安全調(diào)查。

3 結(jié)束語

在現(xiàn)有鐵路勘察方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于遙感技術(shù)的精細工點勘察方法，該方法在山區(qū)、城市復(fù)雜場景、既有線路等復(fù)雜工點具有很好的勘察效果，勘察成果能為工程設(shè)計提供完備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，極大地提高了工點勘察的效率和質(zhì)量，彌補了傳統(tǒng)勘察方法的不足。該方法技術(shù)體系先進，經(jīng)濟、社會效益顯著，對我國的鐵路建設(shè)以及鐵路運營維護能力的發(fā)展具有促進意義，同時對公路等其他領(lǐng)域勘察技術(shù)的發(fā)展具有借鑒意義。