机载LiDAR技术在复杂地形铁路定测阶段的应用研究

2022-03-09郑伦英

铁道勘察 2022年1期

郑伦英王磊魏涌罗静

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

定测阶段的铁路勘测工作，主要是将已批准的初步设计方案中心线在地面上标定出来，然后沿线路测量纵断面和横断面等数据，这需要大量的外业测量作业[1]。铁路线路为带状分布，跨度大、线路长，往往需要穿越山区和密林等复杂地形区域，这给外业测量工作带来巨大困难。

激光雷达(Light Laser Detection and Ranging，简称LiDAR)集成了全球导航卫星系统(GNSS)、惯性导航系统(IMU)及激光扫描仪等设备[2]。是一种主动式遥感系统，发射的激光脉冲信号能穿透大部分植被，已被广泛应用于国土测绘、交通市政建设、电力巡检、林业、文物古迹及城市三维建模等领域。

目前，已有许多学者进行了相关研究，贺成成介绍机载激光雷达技术在公路建设中的应用[3]；郭林等采用LiDAR技术进行土壤侵蚀监测[4]；胡耀锋等对LiDAR技术在大比例测图中的应用进行探索[5]；彭劲松等对LiDAR技术在地质灾害中的应用进行总结[6]。以下基于前人的研究，结合LiDAR点云数据的特点，从LiDAR数据处理、产品生产及精度分析出发，结合实际项目进行数据处理优化及精度分析。

2 机载激光雷达测量系统

2.1 技术特点

机载激光雷达测量系统可通过高速激光扫描直接获取位置、距离和角度等数据[7]。随着系统集成、GNSS差分、IMU数据处理等技术的成熟应用，通过计算机平差运算，可快速、高精度地获取所测对象的空间三维坐标。

相较于传统航摄手段，机载激光雷达测量系统具有外业工作量少、数据可靠性强、产品种类丰富、工作效率高等特点，能够提高工作效率、节约项目成本，减少安全隐患[8]。

2.2 作业流程

机载LiDAR数据处理主要包括点云数据处理和影像数据处理两部分[9]。作业流程如图1所示。

图1 机载LiDAR作业流程

3 应用实例

3.1 项目概况

某新建铁路线路全长约300 km，途经城市、乡镇和山区密林等地区，地形情况复杂，涵盖丘陵、山地和高山地，沿线植被茂密，且部分区域地势陡峭，开展野外勘测困难。项目定测阶段需进行中线测量、横断面测量、地形图补测、特殊工点1：500图测量等工作，且一般工期较为紧张，全外业作业模式难以满足工期需求，故决定采用机载LiDAR作业模式。使用直升机搭载Teledyne Optech公司生产的ALTM Galaxy T1000 LiDAR测量系统，点云密度大于9点/m2，激光测量点间距、测量高程中误差、地面基站布设间距等满足规范要求[9]。

3.2 机载LiDAR点云数据处理

在机载LiDAR点云数据处理中，滤波分类尤为重要，其分类质量决定后续数字产品的精度和应用范围，滤波分类包括计算机自动分类和人工辅助分类。

基于Terrasolid软件的计算机自动分类，可根据地形特点通过反复试验选择合适的参数，再进行数据批量处理。然而，该新建铁路地形地貌复杂，若只按照大范围参数设置进行自动分类，后续人工辅助分类工作量过大。通过对多种地形地貌的分类处理，在小范围设置不同参数并进行自动分类，可提高分类精度和效率。软件自动分类时，Iteration angle 参数是指点与三角形最近顶点的连线与该三角形夹角的限差值，通常设置为4°～10°[10-11]。

如图2(a)所示的梯田类地形，若按常规设置自动分类，完整的地形数据需要大量的人工辅助分类，可以给定范围增加Iteration angle值，该处设为40°时可大幅减少后续人工辅助分类的工作量，如图2(b)所示。

图2 不同参数自动分类地形比较

在居民区和山区接边的地方，由于树木、房屋或陡坎遮挡，导致部分地形变化处无LiDAR点，如图3(a)所示，可通过添加特征点或特征线获得正确地形，如图3(b)所示。

图3 添加特征点线地形示意

3.3 机载LiDAR项目应用

(1)中线测量

中线测量是指按照设计线位测量地面高程，并将铁路中心线测设到地面的工作，一般情况下，采用全站仪坐标法或GNSS RTK等测量方法[12]。在地势陡峭的密林山区，由于信号遮挡、通行困难，使得无法开展外业测量工作。在这种情况下，可以使用机载LiDAR点云数据进行线路中线辅助测量。如图4(a)所示，红色表示地面点，绿色表示其他地物点，图4(b)为使用机载LiDAR点云数据进行中线测量成果。

图4 机载LiDAR中线测量

中线测量时，应在线路纵向地形变化处、电力管线等交叉处、房屋、道路、桥梁、隧道、河流两岸、沟底、水位线、土质变化及不良地质地段起始处等设置测量点，然而，机载LiDAR点云数据只能体现地形变化信息，无法表示特殊地物信息，且机载激光雷达在水面或密林区穿透能力不够，无法满足生产点云密度的需求。因此，在机载LiDAR中线测量作业时，需参照数字正射影像(DOM)或数字线划图(DLG)提取地物信息，如房屋、道路、桥梁、隧道等；在地面点云密度不满足要求的地区，应备注“密林、水域、需实测、需复核”等信息，以便于外业补测与检核。

(2)横断面测量

横断面测量的目的是反映线路垂直方向的地形起伏情况，为隧道、路基、桥梁、站场等工程设计提供基础资料。

利用Terrasolid软件进行横断面自动采集时，为尽可能获得所有地形变化处的高程，数据采集可能冗余，使得设计软件在后续使用中无法承载，故需对自动提取的断面数据进行抽稀处理。一般采用道格拉斯-普克算法，将横断面线近似表示为一系列地形起伏大于阈值的特征点[13-15]，某断面数据抽稀处理结果如图5所示。

图5 断面数据抽稀处理成果对比

地形起伏阈值可根据地形变化情况和项目精度要求设置，如图5所示，断面左侧为平地，右侧为山地，如果按照统一的阈值抽稀处理，会出现平地点很少的情况，这与专业要求的“每隔一定间距需有点”相冲突，因此，在使用道格拉斯-普克算法进行断面数据抽稀处理时，可以设定一个标准距离，保留该标准间隔边距处的高程值，处理结果如图6所示。

图6 改进后的抽稀处理成果对比

抽稀处理后的断面数据需要重新叠加到点云模型中，以确定其能够真实反映地形起伏状况。在提交横断面内业成果时，也需结合DOM或DLG提取地物信息和标注注意事项。

(3)地形图测量

在铁路定测阶段，使用机载LiDAR点云数据进行地形图测绘主要包括1∶2 000数字地形图核补及特殊工点的1∶500地形图制作。

①1∶2 000数字地形图生产

主要采用立体或正射影像采集地物，利用机载LiDAR点云数据生产地貌相结合的作业模式。在Terrasolid软件中提取地形特征点生成等高线和高程点数据，结合地物采集数据进行编辑、整饰成图。

②特殊工点1∶500地形图制作

其作业流程与1∶2 000地形图成图模式大致相同，不同之处在于若遇到地形比较复杂的区域，可以利用机载LiDAR地形特征点，立体或外业采集的特征点线构建三角网模型，生成等高线和高程点；当影像分辨率无法满足1∶500地形图作业要求时，地物元素可采用外业实测的方式。

3.4 精度对比分析

为检查机载LiDAR点云的精度，确保成果的可靠性，对某新建铁路进行外业实测，分别对线路的中线纵断面、横断面结果进行比较分析，结果见表1、表2。

表1 纵断面机载LiDAR与实测高程数据对比

表2 横断面机载LiDAR高差与实测高差数据对比

由表1可知，在植被稀疏的平地、丘陵地区，共对比了552个中桩点，用机载LiDAR点云内插，中桩高程与实测高程较差中误差为0.11 m，91.30%的差值小于0.1 m；在植被茂密的山地、高山地区，共对比了8 631个中桩点，高程较差中误差为0.34 m，56%的差值小于0.1 m，整体精度低于平地、丘陵地区。其中，差值较大的中桩点均位于密林地区的坎上、坎下、沟边、沟底等区域。因此，在定测阶段，不建议使用LiDAR数据进行中线测量，但在悬崖等人工无法到达的地方，可使用LiDAR点云数据进行辅助作业。

由表2可知，在植被稀疏的平地丘陵地区，对比120个断面，共计2 615个断面点，高差较差中误差为0.15 m，97.25%的断面点高差较差小于0.35 m，100%的断面点高差较差小于0.5 m；在植被茂密的山地、高山地区，对比1 392个断面，共计32 082个断面点，高差较差的中误差为0.46 m，73.33%的断面点高差较差小于0.35 m，83.72%的断面点高差较差小于0.5 m，95.15%的断面点高差较差小于1.0 m。其中，位于坎上、坎下、沟边、沟底等陡峭隐蔽地段的断面点有805个，占比54.77%；植被茂密、遮挡的断面点有750个，占比45.23%。经过分析，造成上述情况的原因有以下几点：①机载LiDAR在植被茂密地区穿透能力不够，使得地面的点云间隔无法满足生产的密度要求；②房屋等人工构筑物遮挡，使得地面缺少LiDAR点；③机载LiDAR点云是离散点，存在一定间隔，在陡峭隐蔽的坎边、沟边会有无点情况；④机载LiDAR点云数据整体存在一定平面偏差，从而影响高程精度；⑤点云分类错误。

为对利用机载LiDAR点云数据获取的横断面测量数据进行综合评判，在新建铁路路基段分别对横断面按照机载LiDAR与外业实测数据计算填方与挖方的土方量，结果对比分析如表3所示。

由表3可知，机载LiDAR横断面与外业实测横断面计算出的填方与挖方土石方量较差均低于3%，可满足土石方计算的要求。