机载Lidar与正射影像在铁路勘测中的结合应用

罗 琪

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

测绘是铁路建设中不可或缺的重要手段，它贯穿铁路工程的整个生命周期，为铁路建设提供基础数据。在勘察设计阶段，铁路勘测工作主要分为初测和定测，初测阶段主要是地形图测量，为初步设计提供基础数据；定测阶段主要是既有线测量与断面测量，为施工设计提供详细的测绘资料[1]。

常用的铁路勘测方法是传统测量方式与航空摄影测量方式。传统测量方式是指使用GNSS-RTK等仪器进行实地测量，耗费大量的人力物力，且在山区危险性大。航空摄影测量是利用无人机航摄和地面像控点建立影像立体模型，并在立体模型上进行测量。该方法受天气影响大，生产周期长，且在植被茂密的区域，测量精度低[2]。因此，如何高效且精确地获取地形图及断面数据，成为了制约铁路勘测项目进度的重点问题。

机载Lidar（Light Detection And Ranging）是集激光测距技术、全球定位系统（GNSS）和惯性导航系统（IMU）等于一体的新型遥感系统[3]。它的优点是受天气影响小、获取数据速度快、数据精度高，且具有一定穿透性，可以透过茂密植被直接获取地面数据[4-6]。因此，机载Lidar技术越来越广泛地应用在各种铁路勘测工程中。

同时，机载Lidar也具有一定的局限性，数据缺失了地物光谱信息，难以直观地表达铁路及周边的地物特征。故本文将机载Lidar与正射影像相结合，利用两种技术的优势，在实际铁路勘测项目中应用，为铁路设计提供高效率高精度的测绘基础资料。

1 项目实施

项目位于广西壮族自治区西南部沿海，属于丘陵地貌类型，山区植被茂密，交通不便。铁路勘测正线约61 km，支线若干，要求制作1∶500地形图及横纵断面等。该项目地貌复杂，勘测任务重时间短，利用传统航测方式无法满足工期要求且工作难度大，在植被茂密的山区无法获取高精度的地表信息。对现场工作认真分析后，决定采用机载Lidar与正射影像相结合的方式，完成地形图绘制与断面测量。

项目实施主要包括外业控制点与检查点布设、空域申请与无人机航飞、内业数据处理、地形图绘制与横纵断面采集等过程，具体的实施流程如图1所示。

图1 项目实施总体技术方案

2 数据处理与综合应用

2.1 Lidar点云数据处理

机载Lidar数据处理主要包括两部分：点云预处理和点云滤波。点云预处理可以获得精确的点云三维坐标；点云滤波可以从点云数据中提取地面点，为后续生产提供基础资料。

将基础平面控制网作为基站，通过地面基站数据对机载雷达系统在飞行过程中获取的GNSS和IMU数据进行差分计算，得到准确的飞行轨迹。机载Lidar的原始坐标系统与铁路勘测项目的工程坐标系不同，高程基准为大地高而非1985高程[7-8]。因此，要通过基础平面控制网对点云数据进行平面转换和高程拟合，并利用外业实测点检查精度，得到准确的点云数据。

常用的点云滤波算法有最小二乘拟合插值法、渐进不规则三角网法和数学形态学法等，本项目中使用Bentley公司出品的TerraSolid软件进行点云滤波,在分类之前要对点云数据进行去噪，通过设置高程阈值将噪声点剔除。

在TerraSolid软件中，点云分类大致分为两步：第一步是地面点初始分类。初始分类时地面点为空，通过设置范围框大小，以每个范围框中的最低点为起算点，根据设置的地形坡度、迭代角度和迭代距离等参数迭代计算，把处于设定阈值内的点云不断分类到地面点，最终得到一个初始地面点模型。第二步是手动精分类。通过拉取剖面检查是否有因为植被覆盖和地形复杂而漏分错分的地面点，手动设置起算种子点和计算范围，可以进行二次分类，将漏分的点添加到地面点集合。经过以上反复操作，最终得到分类好的地面点数据。

2.2 基于Lidar数据生成正射影像

基于Lidar点云数据生产正射影像主要有以下4个步骤[9]：

第一步是获取Lidar数据与航空影像。通过无人机搭载的高分辨率数码相机和激光雷达系统，可以同时获取航空影像和原始点云。经过数据处理得到精细化的Lidar点云数据。

第二步是通过精细Lidar点云数据生成不规则三角网，并结合测区内的建筑物等地物点云构建数字表面模型。

第三步是通过数字表面模型对航摄影像进行数字微分纠正，获得粗正射影像，并检测获取测区内北地物遮蔽的区域。

第四步是利用航摄影像对遮蔽区域进行影像填充，得到完整准确的正射影像。

基于Lidar数据生成的正射影像，比传统方式生产的正射影像质量更高，建筑物、架空桥梁等的平面位置更精确。

2.3 Lidar与正射影像结合应用实例

2.3.1 1∶500地形图生产

本文将Lidar点云数据与正射影像相结合，通过Li dar点云为地形图提供地形高程数据，对正射影像进行矢量化获得地物平面位置，外业调绘定性，快速得到1:500地形图成果[10]。

首先要对Lidar数据和正射影像进行匹配检查，检查平面位置贴合情况，如果两者间存在一定差异，需要查明原因并重新进行数据处理。根据正射影像绘制地物，主要包括以下几类：（1）建筑物，在正射影像上绘制建筑物的最外檐轮廓，确定形状和面积，通过外业调绘标注材质和楼层。（2）水系，测区内的水系主要是沟渠，根据沟渠边的实际轮廓绘制，注意部分沟渠边需要绘制陡坎。（3）铁轨、道路及桥梁，可根据正射影像直接绘制轮廓，铁路桥等高度较高的地物存在一定投影误差，解算后的Lidar点云是直接的三维坐标，可辅助判断平面位置[11]。（4）地类界，根据影像和外业调绘判别不同植被区域，绘制地类界。（5）管线，根据外业调绘管线点位和管线属性，在Lidar数据和正射影像上进行判读绘制。

在TerraSolid软件中，利用分类好的Lidar点云生成等高线，直接生成的等高线存在一定缺陷，线型不够圆滑，有明显的尖角凸起，需要手动对等高线进行编辑，使其更加流畅美观。测区内的道路交叉口、坎上坎下等特殊位置需要根据点云数据标注高程，并按照图上100 cm2范围内5~20个点的密度对点云数据进行抽稀，作为地形图高程点。利用Lidar点云数据与正射影像生产的1∶500地形图精确表示测区内的地形地貌和地物特征，如果存在根据点云和影像都无法判读和提取的独立地物，需要用外业实测进行补充，最终成果如图2所示。

图2 正射影像与1:500地形图

2.3.2 横纵断面采集

目前，在铁路勘测项目中主要采用航空摄影测量方式采集断面点，这种方法更适用于平坦裸露地表，能获得较好的断面成果。但铁路勘测一般处于山区，有浓密植被覆盖，航空摄影方式无法直接透过植被获取地表信息，因此利用机载Lidar点云数据，更容易获取数字地面模型，并通过相关软件自动计算与提取横纵断面，大大节省了人力物力，提高了测量效率。

基于分类好的Lidar数据地面点，在TerraSolid软件TerraScan模块中输入要求的断面参数，例如横断面间距、断面宽度、断面点间隔和高程变化点提取方式等，软件自动内插生成横纵断面，如图3所示。可以看出，在裸露的地表如路边，自动提取的断面点贴合在Lidar地面点上，能精确地反映路面高程；在植被覆盖区域，由于激光雷达具有一定穿透力，能穿过植被缝隙测量到地表；图2最右侧的沟渠，沟渠底点云被正确分类，故能直接生成断面点。

图3 TerraSolid软件自动生成横断面

在实际的铁路设计中，不仅要通过断面点获取地形变化和高程，还需要知道每条断面穿过的特征地物类型。因此，需要给特征断面点添加地物属性，例如沟边、路边、房边和坎上坎下等。通过正射影像辅助Lidar点云数据可以提取每个特征断面点的地物属性。本项目最终生成的断面如图4所示，能精确地反映测区地形地貌，并对特征地物点进行标注，更便于进行铁路设计。

图4 横断面成果图

3 精度分析

3.1 点云数据精度分析

本铁路勘测项目共获取无人机Lidar数据27.4 km2，在测区内使用GNSS RTK仪器测量高程检查点共365个，用于检查Lidar点云高程精度。Lidar点云高程点精度统计见表1，发现实测高程与对应点云高程差值小于0.15 m的点有363个，占总数的99.45%，高程中误差为0.055 m，完全满足1∶500地形图制图要求；同时，根据《铁路工程测量规范》，采用航测法测量横断面，高程精度限差为0.35 m，本项目Lidar点云数据满足铁路断面测量要求。

表1 Lidar点云高程点精度统计

3.2 正射影像精度分析

本项目全线制作正射影像27 km2，为带状分布，共119幅影像。在测区内使用GNSS RTK仪器测量平面检查点共102个，点位均匀分布可用于检查正射影像平面精度，统计结果见表2。可以看出，绝大部分检查点平面差值小于0.1 m，占点数的85.29%；少数点平面差值超过0.2 m，占点数的6.87%。本项目正射影像平面中误差为0.103 m，小于数字正射影像成图规范要求，也小于1:500地形图制图规范要求，精度满足规范要求，制图平面精度较高。

表2 正射影像平面精度统计

4 结束语

相比于传统的航空摄影测量，机载Lidar技术可以不受天气和光线的影响快速获取地表信息，大大减少了飞行作业时间，提高了探测效率。同时，机载雷达系统发射的激光脉冲信号具有一定的穿透力，在植被茂密的山区能穿透缝隙直达地表，减少信息损失获取准确地表模型。本文在实际铁路勘测项目中，利用Lidar数据和航摄影像生成正射影像，弥补了Lidar数据光谱信息的缺失，进行1：500地形图和线路横断面生产。

通过对正射影像及Lidar点云数据的精度分析，可以得到以下结论：一是机载Lidar技术能获取大量高精度的地表信息，满足1∶500地形图的高程精度要求和铁路勘测的断面测量要求。二是基于高精度Lidar点云数据生成的正射影像具有较高的平面精度，可以作为底图绘制测区地物，能满足1∶500地形图的平面精度要求。三是将机载Lidar数据与正射影像在铁路勘测项目中综合应用，自动化程度高，减少了内外业人力物力，提高了测量效率。综上所述，机载Lidar与正射影像相结合的测量方式，可广泛应用在铁路勘测项目中。