机载激光雷达技术在铁路横断面测绘中的应用

李平苍

(铁道第三勘察设计院集团有限公司， 天津　300251)

1　机载激光雷达简介

机载激光雷达技术是近几年快速发展起来的一门新技术，它集成了激光测距技术、GNSS全球导航卫星系统、惯性导航技术，能快速获取地面高精度的三维地面模型，已经逐步发展成为一种全新的对地观测技术。机载激光雷达测量是将激光雷达测距系统安置在飞行器上，通过记录激光脉冲从发射到被地面目标物体反射回激光能量接收装置的时间延迟，根据光在空气中的传播速度，可以精确推算发射点到地面点的斜距；同时，惯性导航系统测定了飞行器的空间姿态，GNSS获取飞行器的空间位置。对激光测量斜距、GNSS测量的飞机航迹信息以及IMU确定的飞机空间姿态等信息进行联合平差处理，求出每一个激光脚点的三维空间直角坐标。

机载激光雷达测量与传统航空摄影测量相比有以下特点：

①能直接获取地面目标物上密集的空间三维坐标点云；

②受天气影响小，能全天时、全天候的获取数据；

③对植被有较强的穿透力；

④只需极少量地面控制点；

⑤数据获取简单、高程精度高、数据处理速度快。

2　横断面测绘方法比较

横断面测量的目的是测定线路中桩处垂直于中线方向的地形起伏形体，计算土石方量，用于线路、路基的设计。一般横断面测绘数量多，工作量大，对于山区、林区等困难地区，横断面测量成为制约铁路勘测周期的主要因素，目前我国铁路定测常用的横断面测绘方法有如下三种。

(1)实测法

实测法是利用水准仪、全站仪、GPS-RTK等仪器设备现场实地测量，该种方法效率低、周期长、人力物力消耗大，受天气、交通、地形等客观条件的影响大，严重地影响勘测设计的周期。

(2)航测法

航测法测绘横断面主要是利用数字摄影测量工作站，结合线路中桩高程在立体模型上进行断面数据采集。与实测方法相比，该方法测绘效率有了很大提高，不用到现场，内业就能完成横断面的采集，但是还不能进行断面图的批量生产，需要作业人员对断面数据一个一个地采集，对于植被覆盖较多的地区，很难满足精度要求。

(3)机载激光雷达技术

首先对激光点云进行精细分类，获得高精度的数字地面模型，利用数模批量切绘线路上任意点的横断面，测绘横断面图的效率有了很大提高。激光具有一定的穿透力，对于植被覆盖较密的一般地区，也能获取精度较高的数模，对于植被非常密集的地区，激光雷达也无能为力。

3　在铁路横断面测绘中的应用

3.1　结合影像进行激光点云分类

机载激光雷达获取的数据主要是激光点云，但是大多数雷达设备都配备了数码相机，能同时获取影像数据，可用于激光点云的辅助分类。

实际生产项目中，由于工期紧张、有效航飞天数极少等原因，有时会只获取点云数据；生产中也存在作业人员主观上认为测区植被较少，地形简单，分类时忽略了对影像的利用。在进行激光点云分类时应尽量结合影像进行分类，在没有影像数据时可以考虑利用同时期的卫星影像、地形图等资料辅助分类，否则点云分类成果的精度将会降低甚至出现错误。

虽然激光点具有很强的植被穿透力，但是像水稻田、麦田等这样密集的低矮植被，激光点很难穿透，由于植被不高(0.5 m左右)，如果不结合影像，很容易将植被上的点误认为是地面点，致使数模精度不高，导致断面形状错误。常用的雷达设备所发射的激光点在遇到水面时基本上都被吸收，既使有个别激光点也具有不确定性。实际生产中经常会遇到一些水渠、鱼塘等水域，由于水面覆盖物较多，致使有较多的激光点，分类时也会误认为地面，导致断面错误(水中断面应该现场实测)。如果结合影像进行分类，能很容易区分出水域，去除水面点，并能有效剔除低矮密集的植被高。

3.2　陡坎影响断面精度

一般来说，激光点云的密度越大，就越能准确反映地表的真实形态，成图精度就会越高。在实际生产中会综合考虑精度和效益，选择适宜的激光点密度，不会无限地加大点云密度。这样在地形破碎地区很容易出现缺少特征点现象，断面线经过的坎上或坎下经常会少点，由地面点构建TIN时局部地形出现失真，从而导致横断面的形状与实际差别较大，影响铁路设计。要想解决这个问题必须把所缺少的点补上，最好的方式就是添加特征线，将特征线与地面的激光点一起构TIN，然后再进行横断面切绘，将会大幅提高断面精度。特征线采集的方法有如下几种：

①将激光点云叠合正射影像图，充分结合影像信息和激光点云高程信息判断并画出特征线。

②利用摄影测量工作站，根据影像的外方位元素，建立立体像对，在立体状态下采集所需的特征线。

③外业中线测量时可附带着对沿线缺少的特征点线进行采集。

不加特征线构TIN的情形如图1所示，加入特征线构TIN的情形如图2所示。

图1　不加特征线构TIN

图2加入特征线构TIN

3.3　内外业结合的既有铁路横断面测绘

在实际生产中，常用的激光点获取密度还不能准确反应出既有铁路碴脚、碴肩、轨顶等细小变化，目前对于既有铁路横断面测量或新建铁路断面线经过既有铁路的情况下，都是采用外业实测横断面。为了既能满足断面精度又能充分利用已获取的雷达数据，从而提高横断面测绘的效率，可以采用内外业相结合的方式进行。首先利用雷达点进行断面线的切绘，然后对雷达点无法正确反应的部分断面线进行现场实测改正(如图3所示)。

图3　内外业结合的横断面

3.4　横断面属性标注

图4　未标属性和标注属性的横断面

在进行横断面测绘的过程中，不仅要测出断面线的形状，还要标注出断面线上某些特征点的属性，比如路边、围墙、房边等，这些属性可更好地辅助铁路设计。无论是现场实测还是用航测方法采集横断面数据，都是逐点采集，人工干预较多，在采集过程中很容易进行属性信息的添加，而目前利用雷达技术进行横断面切绘，自动化程度虽然更高，但是断面属性数据的自动提取还很难实现。如果能将激光雷达获取的原始激光点云数据(DSM)、分类后地面点云数据(DEM)和影像光谱信息充分结合，通过某种算法，在自动生成横断面数据的同时自动提取属性信息，就可以解决属性数据难以自动获取的困境。目前比较容易实现的方式是从既有地形图中提取测绘横断面范围内的道路、围墙、房屋等矢量数据，如果没有既有数据，也可以立体采集甚至直接从正射影像图中画出这些矢量数据，分层存放，在横断面批量自动提取软件中增加断面线与矢量数据的相交判断，根据不同图层自动添加相应的属性，从而实现断面线上属性数据的自动标注(如图4所示)。

3.5　加强中桩检核

在利用雷达技术进行铁路横断面切绘的过程中，经常会遇到外业打线的中桩高程与雷达高程相差较大的现象，根据以往的项目经验，多数是外业高程测量错误，有时也存在雷达缺点或数据处理错误。目前铁路定测放线基本都采用GPS-RTK技术，RTK受信号和星历影响较大，在地形复杂、遮挡物较多的地区，有时会出现错误点，所以要加强外业实测中桩高程与雷达高程的比对工作。对于高程差值较大的中桩点，应从内外业两个方面查找原因，及时解决，避免将错误带入后序工作。定测工作期间应充分利用雷达数据，将中线测量、放孔、道路改移等测量成果与雷达数据进行比较，可以起到复核检查作用，大大降低外业测量的错误率。

4　结束语

机载激光雷达技术在铁路勘测中的应用，大幅提高了铁路勘测效率，缩短了勘测周期，革新了铁路勘测流程。在实际生产中需要对以上几个方面高度重视，保障成果质量。尽管雷达技术在横断面测绘方面优势明显，但是在激光点云的自动化分类、断面属性的自动化提取、既有铁路的断面测绘等方面还需要进一步深入研究，横断面测绘的效率和自动化程度还有很大的提升空间。

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