无人船辅助激光雷达在跨河测量中的应用

刘冰洋

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 概述

随着我国铁路建设的快速发展,在铁路勘测领域一直积极探索和吸收遥感、测绘先进技术[1-2]。LiDAR技术作为一种高时空分辨率三维对地观测手段[3],在铁路勘测中的应用日趋成熟[4],已在汉十高铁、徐连高铁、甬舟铁路、瑞梅铁路等多条铁路成功使用,其精度、激光功率、扫描速度、回波能力、稳定性、地形适应能力等方面也在不断优化[5]。与此同时,随着定位、测深、计算机等技术的发展,利用无人船进行水下地形测量也有了一定进步,使得利用无人船辅助激光雷达进行跨河测量成为可能。

2 机载激光雷达与无人船的技术特点

2.1 机载激光雷达的技术特点

相较于传统航空摄影,机载激光雷达航摄具有以下优势[6-7]:主动式测绘地表空间信息;对于植被有一定的穿透作用;整体精度更高;对航摄天气要求低;可以快速生成DEM/DSM成果。

但其在对地形数据获取方面仍有不足[8-10],主要表现在:除特定针对海洋测绘的激光雷达以外,一般的机载激光雷达对于有水区域的测量难以满足勘测需求;对植被较厚的区域穿透力不够,难以获取足够多的地面点,不利于后续地形产品的生产。

2.2 无人船的技术特点

水下地形测量一般包含定位、测深两个主要技术。传统的水下地形测量定位主要利用光学定位及无线电定位手段,包括:断面索法、水平板仪或经纬仪视距法、前方交会法、六分仪后方交会法、电磁波测距极坐标定位法等;传统的测深方法主要有杆测法、锤测法、超声波量深法等[11-12]。

现阶段,无人船多采用卫星定位方法,如实时GNSS动态差分定位;测深多采用多波束或单波束测深仪。在此基础上,还增加了惯导、摄像、水速测量等多种技术,形成了无人船、GNSS、测深仪、ADCP、陀螺仪、CCD相机等多设备集成的测量系统[13-15]。

3 基本流程

利用机载激光雷达与无人船进行跨河区域的地形成果生成,其流程见图1。其中,机载激光雷达航空摄影(包含影像、激光点云、POS的数据采集)、地面站数据采集、外业控制测量、无人船水下地形数据采集4个过程为外业数据采集部分,其余为内业数据处理部分。

图1 无人船辅助机载激光雷达地形图生成流程

4 案例分析

4.1 项目概况

江西省内某铁路穿越武夷山余脉,越岭后进入兴宁盆地。海拔高度一般为350～1000m,相对高差200～650m,最高峰为安远境内之鸡笼嶂,海拔高度为1445m。沿线主要河流有绵江、湘水、寻乌河以及梅江,多具山区河流特征,河谷深切,河流两岸阶地发育,一级阶地地形平缓,高阶地受后期剥蚀作用,阶面呈波状起伏。

为满足铁路定测需求,需生产任务区内铁路纵断面、横断面、1∶2000地形图等数字化地形成果,决定采用激光雷达技术进行地形数据采集;对于河流区域,辅之以无人船方式采集河底信息。

4.2 机载激光雷达航空摄影

为高效获取线路走廊带地形数据,采用有人机搭载机载激光雷达系统获取全线机载激光点云和高分辨率数码影像,数据覆盖范围见图2,激光点密度优于20点/m2,影像分辨率优于0.05m。针对设计过程中方案变更的工点,采用无人机激光雷达进行补飞。

图2 走廊带激光点云数据

4.3 外业控制测量

为了保证机载激光点云和正射影像的质量,按照1∶2000地形图生产相关要求,利用GNSS外业实测的方式,对测区进行外业控制点的布设及测量;挑选部分位于点云航带首尾或航带搭接处的像控点作为点云控制点,对点云进行控制改正;同时,按照外业控制测量同等的要求,采集部分检查点用于评估点云成果及DOM成果的精度,未作为点云控制点的像控点可以作为检查点。

(1)激光点云数据质量检查

①高程精度统计

在铁路全线共布设了106个高程检查点,位于水泥路、土路、荒草地等位置,基于高程检查点,统计激光点云的高程精度,示例见图3。

图3 检查点7P5(路面点)在点云中的位置及高程差值

误差结果分布见表1,所统计的最大误差为0.138m,平均误差为-0.01m,中误差为0.050m。

表1 激光点云高程误差分布统计

②平面精度统计

在测区实测了42个房角点用于平面精度检查,示例见图4。

图4 检查点a37(房角点)在点云中的位置

误差结果分布见表2,所统计的最大误差为0.15m,平均误差为0.09m,中误差为0.093m。

表2 激光点云平面误差分布统计

(2)正射影像数据质量检查

在全线选择了64个平面检查点,对DOM成果的平面精度进行检查,误差结果见表3,所统计的最大误差为0.09m,平均误差为0.042m,中误差为0.048m。

表3 DOM平面误差分布统计

4.4 点云滤波分类

基于MicroStation V8i平台,利用TerraSolid软件,先对小块数据进行实验比较,得出合理的Ground分类参数;再通过宏命令运行,自动完成点云初分类;再借助人工检查、编辑和修改,得到点云分类最终成果。

4.5 无人船水下地形数据采集

线路途径河流区域,激光雷达技术难以采集有效信息,可利用无人船进行水下地形数据采集以补充点云数据。以寻乌河所在测区为例(见图5),测区位于寻乌县以南,此处河宽约50m,河深约5m;河西岸地势较平,以农田、居民地为主;河东岸依河而建公路,路外地势陡峭。需获取铁路纵断面、横断面及1∶2000地形图,以辅助该区域桥梁、路基、隧道专业的设计工作。具体步骤如下。(1)无人船检校。无人船使用前,联系设备厂商帮助检校保证无人船测量合格后,托运到作业区使用。

(2)无人船数据采集。按照GNSS-RTK测量的要求,对GNSS接收机进行校正、设置后,将GNSS接收机连接到无人船指定位置上,输入杆高信息,按照设计路线进行无人船数据采集(见图6)。

图6 无人船数据采集

(3)无人船数据整理。对无人船数据进行下载、整理、检查。经检查,航线交叉区域数据符合邻近数据的变化趋势,见图7。

图7 交叉点数据对比

4.6 生成任务区地形数据

数据生产主要基于MicroStation V8i、TerraSolid、Auto CAD等软件。

(1)圈定任务区。根据断面的中桩点坐标、端点坐标、断面长度等信息圈定任务区,如图8所示,黄线为展绘出的断面线,绿线为根据断面范围圈定的任务区。

图8 任务区内DOM及点云

(2)读取任务区正射影像及点云数据。

(3)读取任务区无人船水下地形数据。将水下地形数据整理成Terra可以识别的.xyz格式,将其读入并归为underwater类,渲染后效果见图9。

图9 基于ground地面点类及underwear水下地形点类渲染的高程模型

(4)断面线生成。利用断面生产软件,基于ground类和underwater类自动生成横断面、纵断面,并人工检核、编辑。断面生成基本算法:依据断面位置信息,提取断面线周围地面点或水底点;将提取点构三角网;断面线与三角网交点即为断面线节点,计算其平面坐标、高程值、到中桩点偏距;排列节点信息,展绘、输出断面线数据,见图10。

图10 纵断面、横断面成果

(5)断面检查。在全线范围内,采用实测点对质检断面节点的方法,抽样6组数据进行质检,各断面上包含50～134个节点,6组断面共有532个点,断面宽度分为60～100m。经统计,不能满足距离限差±0.3m、高程限差±0.35m要求的点共计有8个,占全部样本检测点个数的1.5%,据此样本分析,本方法提取出来数据精度满足设计要求。

(6)生成等高线、高程点注记。基于地面点和水底点,利用Terra自动生成等高线,按标准格网内插生成高程点注记,见图11。按照抽样检测的原则,地面点生成的断面节点满足平面0.3m、高程0.35m的精度要求,故由地面点生成的等高线、高程点注记可满足1∶2000地形图要求。

图11 生成等高线、高程点注记

(7)地形图编辑。按根据1∶2000地形图技术要求,完成地形图编辑、整饰、输出。

5 结论

(1)无人船辅助机载激光雷达技术可生产跨河区域的铁路纵、横断面及等高线等地形表示成果,且精度满足《铁路工程测量规范》的要求,可以用于铁路勘测。

(2)无人船辅助机载激光雷达技术大大提高了跨河地形数据采集、地形成果制作的效率。

(3)无人船与机载激光雷达互补协同作业的模式可发挥各自的优势,弥补彼此的不足。

(4)无人船辅助机载激光雷达技术可以完成很多传统测量方法难以完成的测量任务,如悬崖峭壁和湍急河流等难以接触、不易抵达位置的相关测量任务。