有人機機載LiDAR 在新建文蒙鐵路勘測中的應用分析

冷紅慶

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055）

修建鐵路初期最重要的是勘察地形，根據(jù)地形確定鐵路的走向，勘察是修建鐵路重要的基礎[1]，所以提高勘察的準確性、安全性和可靠性具有重要意義。在勘察時，對勘察地區(qū)用機載激光雷達（LiDAR）進行數(shù)據(jù)收集[2-3]，機載LiDAR 是一項將激光測距、全球定位、慣性測量、頻譜成像技術相結(jié)合的新型測量技術，它可以應用于飛機固定翼、直升機等多種航空飛行平臺，實現(xiàn)對地表高度的準確測量和高分辨率圖像的實時采集，從而實現(xiàn)條形地圖和剖面地圖的繪制。由于文蒙鐵路地屬滇東南巖溶山區(qū)，地形復雜，總體地勢西北高、東南低，山巒連綿起伏，河谷、溝壑縱橫交錯等地形特征，采用人為測量的方式較為困難，且容易發(fā)生危險；若采用無人機或遙感技術勘測，可能獲取的數(shù)據(jù)并不準確，需要多項技術支持。因此根據(jù)前人經(jīng)驗，提出采用有人機機載LiDAR 航空攝影獲取Li-DAR 數(shù)據(jù)點云的方法。

1 新建鐵路勘察方法

1.1 基于機載LiDAR 的新建鐵路點云數(shù)據(jù)獲取

1.1.1 航線設計

航線設計需符合《機載激光雷達數(shù)據(jù)獲取技術規(guī)范》和《地形圖航空攝影規(guī)范》，按照飛機的具體性能和飛機的實際性能，確定飛機的飛行高度和航拍區(qū)域。以新建文蒙線為航空攝影攝區(qū)，絕對航高為2 900 m，飛機型號和編號分別為R66 和B-70EL，搭載的LiDAR 航攝儀型號和航攝儀編號分別為Galaxy prime 及5060423，F(xiàn)OV（視場角）為55°，脈沖頻率和掃描頻率分為60 KHz 及60 Hz。

1.1.2 數(shù)據(jù)采集方案設置

新建鐵路軌道測區(qū)數(shù)據(jù)的收集有飛行準備、飛行過程和著陸后3 個階段。機載激光雷達測量前后，宜采用“∞”字型飛行方式進行IMU 初始化。同向連續(xù)航飛時間超過15 min 時，應重新進行IMU 初始化。固定翼飛機的轉(zhuǎn)彎半徑不小于5 km，直升機的轉(zhuǎn)彎半徑不小于1 km。在起飛前，必須保證航攝設備安裝能正常使用，航攝設有充足的存儲容量；在啟動激光雷達之后，需要等待有5 min，在此期間，利用慣性測量單元和衛(wèi)星導航技術構成的POS 系統(tǒng)，用衛(wèi)星進行鎖定，改善數(shù)據(jù)的初始化。在進入測點之前，必須先在500 m 處做一個“∞”字形的航向，激活陀螺儀；為了節(jié)約數(shù)據(jù)存儲，在飛行、飛離測區(qū)和航向拐角的時候，都可以關掉激光數(shù)據(jù)記錄器。在降落之后，要先讓飛行器停下來5 min，然后才能關掉機載LiDAR。

1.2 新建鐵路點云數(shù)據(jù)預處理

由于機載LiDAR 點云中包含了豐富的三維曲面數(shù)據(jù)，而這部分數(shù)據(jù)是由大量的點位數(shù)據(jù)反映出來，造成了點云數(shù)據(jù)存儲量巨大，數(shù)據(jù)處理難度高，不能直接抽取測區(qū)鐵路點云數(shù)據(jù)；在LiDAR 點云數(shù)據(jù)中，對點云進行預處理，把點云濾波地表和非地表的點云進行分類，獲得較高精度的地面高程模型，并根據(jù)高度差異的特征將非地表點云中的鐵路點云進行分割[4]。點云的三維信號在進行預處理后仍然是龐雜、冗余的存儲空間較大。在構造環(huán)境中，一般采用點云簇聚類來進行單一的環(huán)境要素的識別，從而造成了數(shù)據(jù)的稀疏性；由于無結(jié)構性的環(huán)境要素是一個非常復雜和變化的過程，僅靠聚類識別的方法不能很好地描述整個鐵路環(huán)境。為了解決這個問題，對IMU/GNSS原始觀測數(shù)據(jù)應進行預處理[5]，分離GNSS 觀測數(shù)據(jù)、IMU 記錄數(shù)據(jù)和eventmark 數(shù)據(jù)，并填寫IMU/GNSS輔助航攝飛行數(shù)據(jù)檢查結(jié)果分析表。在上述處理后，將IMU/GNSS 數(shù)據(jù)進行聯(lián)合處理，解算出每張像片的6 號位方位元素，轉(zhuǎn)換至成果坐標系，并填寫手薄。采用差分GNSS 定位，IMU/GNSS 數(shù)據(jù)解算的平面、高程和速度偏差不應大于表1 的規(guī)定。

表1 IMU/GNSS 數(shù)據(jù)聯(lián)合解算偏差限值

在符合表1 的規(guī)定后，對獲取的機載LiDAR 進行檢驗：對檢校場進行空中三角測量，計算偏心角及線元素偏移值。偏心角及線元素偏移值的解算中誤差不應大于表2 的規(guī)定。

表2 偏心角及線元素偏移值中誤差限值

根據(jù)上述過程，對比預處理后重建的點云數(shù)據(jù)和原點云數(shù)據(jù)的變化量，判定新建鐵路點云數(shù)據(jù)預處理的計算速度，判斷檢驗是否合格。檢驗結(jié)束實現(xiàn)新建鐵路點云數(shù)據(jù)預處理，獲取最佳新建鐵路點云數(shù)據(jù)。

1.3 點云圖像鐵路區(qū)域提取

將新建鐵路點云數(shù)據(jù)預處理結(jié)果，通過投影變換生成新建鐵路的點云圖像，采用面向?qū)ο筇崛〖夹g，充分考慮新建鐵路的紋理、形狀、大小等空間屬性特征，通過點云圖像的分割以及分類，從中獲取新建鐵路區(qū)域，便于后續(xù)鐵路勘察工作順利開展。多比例尺的分割處理是以圖像的區(qū)域融合為基礎[6]，由任意一塊圖像像素進行融合，直到生成圖像區(qū)域。其主要思路是：先從一個像元出發(fā)，將其與相鄰像元分開運算，以減少最后的異質(zhì)性；上述循環(huán)產(chǎn)生的物體是基礎單位，然后依次和鄰近物體分開進行運算，直到用戶指定的尺度內(nèi)無法進行對象的融合。圖像區(qū)域異質(zhì)性閾值用H 表示，光譜、形狀異質(zhì)性用Lcolor、Lshape表示，基于Lcolor、Lshape計算H，光譜和形狀信息權重分別用wcolor及wshape表示，H 的計算公式為

在新建鐵路圖像中，每類地物都有自己的特點，通過在函數(shù)中加入這些特性，形成一個新的法則，就能精確地劃分新建鐵路圖像[7]。針對軌道交通的特點，在進行劃分時，首先要注意其空間特性，可以使用L/W的長度比率作為劃分規(guī)則，Length 和Width 分別表示分割圖像的長度及寬度，比率公式為

新建鐵路周圍的低矮植被，利用綠色植被指數(shù)Greenness 提取，G、R、B 分別表示航空影像的綠、紅、藍波段，Greenness 公式表示為

2 新建鐵路軌道勘察

2.1 機載激光雷達設備系統(tǒng)、飛行器的選擇

根據(jù)攝區(qū)的地形、時間等因素，選擇R66 飛行執(zhí)行飛行任務，飛機帶有自動駕駛儀，能很好的控制飛行姿態(tài)，保障飛行質(zhì)量。機載激光雷達設備系統(tǒng)選擇自有設備GalaxyPrime 機載激光雷達系統(tǒng)，該設備掃描效率高并配備座駕，獲取數(shù)據(jù)姿態(tài)穩(wěn)定。

2.2 點云密度

機載激光雷達獲取的點云密度為≥9 點/m2，設計FOV 為43°，脈沖頻率為850 kHZ，掃描頻率為77 HZ。

2.3 航攝時間及太陽高度角的選擇

LIDAR 數(shù)據(jù)獲取飛行時段不受太陽高度角限制，全天24 小時內(nèi)均可飛行獲取點云數(shù)據(jù)。機載激光雷達測量宜同時進行數(shù)字影像獲取，航攝時間應根據(jù)攝區(qū)的太陽高度角和陰影倍數(shù)確定。

2.4 航攝分區(qū)

航攝分區(qū)劃分參照GB/T6962-2005 和“國家基礎航空攝影補充技術規(guī)定”中的相應規(guī)定執(zhí)行，并且同時滿足：航攝分區(qū)包含多個完整的加密分區(qū)；航線敷設和劃分分區(qū)時考慮每條航線直線飛行時間一般不大于15 min 的要求。考慮到繁忙空域和戰(zhàn)斗飛行管制的要求，為此，航攝分區(qū)測段接邊重疊應不少于200 m，且選擇在平坦地區(qū)。

2.5 航高確定

本攝區(qū)擬使用GalaxyPrime 機載激光雷達設備系統(tǒng)進行作業(yè)，根據(jù)設備掃描角度及脈沖頻率，設計點云密度≥9 點/m2，攝區(qū)地形起伏，根據(jù)DEM 設計，確定絕對航高為2 900 m。

2.6 航線敷設

按照攝區(qū)范圍和攝區(qū)平均基準面高程及攝區(qū)最高點高程進行航線設計。根據(jù)攝區(qū)的基準面高程，合理確定旁向重疊度。根據(jù)攝區(qū)形狀分布的特點，攝區(qū)航線采用按攝區(qū)走勢敷設的方法，測段接邊重疊應不少于200 m，且宜選擇在平坦地區(qū)；采用DEM輔助航線設計[8]；每條航線的飛行時間不超過15min 以保證整個機載LIDAR 系統(tǒng)（GalaxyPrime）獲得最佳的采集數(shù)據(jù)。

2.7 工程概況

2.7.1 地理概況

文山市，位于云南省東南部，東西橫跨63 km，南北縱跨66 km，總面積2 977 km2。蒙自市東西最大橫距61.3 km，南北最大縱距62 km，總面積2 228 km2。東鄰文山市，主要地形為山區(qū)和壩區(qū)，其中山區(qū)面積占總面積的75.6%；壩區(qū)面積占總面積的24.4%，縣城海拔1 307 m。

2.7.2 攝區(qū)范圍

根據(jù)表3 參數(shù)設定和航攝分區(qū)結(jié)果，對新建鐵路進行勘察，文蒙線路長度約130 km，面積約283 km2。至此，實現(xiàn)基于機載LiDAR 點云稀疏處理的新建鐵路勘察方法研究。

3 計算結(jié)果分析

實驗區(qū)LiDAR 點云數(shù)據(jù)運用機載激光雷達系統(tǒng)獲取，采集時間2022 年4 月12 日。為準確分辨不同區(qū)段的LiDAR 數(shù)據(jù)處理高程精度，獲取30 個點號高程數(shù)據(jù)，由此得到圖1 所示的折線圖。

圖1 LiDAR 數(shù)據(jù)處理高程精度折線圖

圖1 為檢校場測量出的高程與本文方法獲取的LiDAR 數(shù)據(jù)處理的高程折線圖。由圖像可知，本文方法獲取的高程折線圖與檢校場測量的高程折線圖幾乎完全重合，說明采用本文方法獲取的數(shù)據(jù)檢測結(jié)果較為精準。為準確分辨不同區(qū)段的LiDAR 數(shù)據(jù)處理高程精度，獲取30 個點號多來源外業(yè)點高程，由此得到圖2 所示的折線圖。

圖2 多來源外業(yè)點高程折線圖

圖2 為已知高程和本文方法高程折線圖對比。根據(jù)圖像可以清晰看出，采用本文方法處理的點云高程數(shù)據(jù)與已知高程數(shù)據(jù)高度一致，折線圖基本重合。說明本文方法通過對航線的規(guī)劃設計，以及有人機獲取的新建鐵路圖像分割后，可以精準地獲取鐵路軌道，不被干擾因素影響，保持軌道的完整性。

4 結(jié)論

基于機載LiDAR 點云預處理的新建鐵路勘察方法，通過鐵路機載LiDAR 點云數(shù)據(jù)采集、預處理、點云圖像分割等，實現(xiàn)了對新建鐵路的勘察。實驗結(jié)果有效保證了提取鐵路的完整性，獲取的高程數(shù)據(jù)精準度較高，為新建鐵路勘察提供參考。