结合倾斜摄影与地面LiDAR的铁路工点勘察方法

李海亮

1中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉，430063

丘陵、山区占我国总国土面积的65%，因此山区铁路众多，山区铁路因地形、地质复杂，给勘察设计带来许多困难［1］。其中，困难复杂工点（隧道口、桥址等）勘察是铁路工程建设中的一个重要环节，对铁路建设和运维意义重大［2］。

目前工点勘察主要依靠全站仪、GPS等常规测绘方法人工实地完成，但很多铁路工点环境险峻，采用常规方法工作效率低、安全风险大、开展困难，存在很大的限制［3］；文献［4］分析了遥感技术在铁路新线勘测中的作用；文献［5］将无人机三维影像技术应用于铁路勘察中，有效提高了勘察效率；张逆进［6］利用倾斜摄影技术建立工点三维模型，提高勘测效率；郑史芳等［7］利用倾斜摄影技术进行地质灾害监测与预警，能有效减少人工实地勘察的工作量，提高勘察效率；文献［8］将倾斜摄影技术应用于地质灾害研究中，传统方法容易出现视觉误差和死角，难以全面对地质灾害进行判断，而倾斜摄影可以从多个角度进行观察，进行定量分析。激光雷达作为一种新型的非接触主动测量设备，可以快速获取被测目标的三维点云模型，对于地质灾害调查具有很好的效果［9］；同时基于点云模型可以准确地测绘地形图和断面［10］。文献［11］利用Google Earth卫星数据进行铁路勘察设计，为铁路选线设计提供了一种便捷方法；文献［12］利用无人机摄影测量技术进行大高差铁路工程施工测量，提高测量效率和质量；文献［13］利用三维激光扫描技术进行危岩落实勘测，能有效提取危岩落实区的地质信息，进行稳定性评估。

倾斜摄影和地面激光雷达技术虽然广泛应用于铁路勘察中，但仍存在一定的局限性。倾斜摄影对近地区域及遮挡区域勘察能力弱，精度不高。地面LiDAR能快速获取近地区域及遮挡区域的高精度点云，同时能生产高精度地形图及断面图，但地面激光雷达在高空区域勘察能力弱，效率不高。针对两种技术的特点，本文提出了一种结合倾斜摄影与地面激光雷达技术的精细工点勘察方法，实现两种先进技术的优势互补，能有效提高铁路工点勘察的自动化程度，具有显著的技术优势和社会效益。

1 工点勘察方法与流程

1.1 铁路工点勘察方法

铁路工点勘察有别于一般的测绘工作，不仅要精确的测绘地形图和断面（高程精度要求优于0.175 m），同时还要能够准确还原工程现场，为工程精细设计提供数据基础。

倾斜摄影技术是利用倾斜航空相机获取地物信息的一种新型航空摄影方式，该技术通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，获取垂直、侧视等不同的角度的纹理数据，通过计算机自动化三维建模，还原现实世界，为设计师沉浸式设计提供数据基础。

激光雷达作为一种新型的获取目标三维信息的设备，正逐渐应用于我国基础建设的各个领域。其中，地面激光雷达技术由于使用静态平台、便于携带而具有更广泛的应用领域。地面激光雷达技术可以快速获取被测目标的三维点云模型，该技术通过穿透植被可以获取高精度的地形数据，从而准确计算工程数量。

倾斜摄影技术和地面激光雷达技术都是以建立三维模型为目标，两者相比较，倾斜摄影技术在模型的真实感方面具有优势，基于倾斜摄影建立的模型可以进行高质量的解译；地面激光雷达在模型的精度上占优，基于地面激光雷达建立的模型可以进行高精度的测绘。结合倾斜摄影和地面激光雷达技术，正是将两种技术优势互补，既可精确地提供定量设计所需的高精度地形数据，又可逼真地还原工程设计所需的工程现场。

1.2 铁路工点勘察流程

1）外业数据采集及预处理。利用无人机及地面LiDAR获取工点倾斜影像数据、POS数据和点云数据，并对点云数据进行去噪、配准、赋色等工作。对配准后的点云进行分类，将激光点云分为初始点类、地面点类、植被类、人工构造物类和其他类5个类别。

2）结合倾斜摄影与地面LiDAR的三维建模。利用倾斜影像，POS数据、人工控制点以及激光点云生成的控制点进行自动空中三角测量，加密控制点。根据高精度的影像匹配算法，自动匹配出所有影像中的同名点，并从影像中抽取更多的特征点构成密集点云，从而更精确地表达地物的细节。将摄区分割成多个模型小块进行处理，对每个区块内模型精细构网，生成白模；从影像中计算对应的纹理，并自动将纹理映射到对应的白模上，形成真实三维场景。对遮挡区域及异形结构，利用激光点云数据进行三维模型重建；与倾斜摄影建立的模型进行集成，建立工点的真三维模型。

3）危岩落石解译及因子提取。基于实景三维模型建立危岩落石、节理裂隙构造、地层岩性等遥感解译标志，提取危岩落石类型、空间位置、规模大小、滚动方向等信息。

基于实景三维模型提取几何参数因子及目标区的危岩落石条件因子。几何参数因子主要包括边坡高度、相对高差、危岩落石尺寸（直径大小）、坡度、坡向等；条件因子主要为危岩落石体积、节理裂隙发育程度、节理裂隙组合情况、岩体破碎程度、风化侵蚀情况等。最后针对解译及因子提取结果给予处置措施。

4）工点地形图生成。首先利用真三维模型量测地物点，对于遮挡区域，通过点云数据提取测区地物点；以分类后的地面点云数据生成等高线、加密高程点，获取地貌信息。将等高线、高程点和地物矢量导入到大比例尺测图软件中进行编绘、整饰，形成最终的工点地形图。

5）危岩断面生成。根据危岩落石区域解译结果，利用激光雷达数据提取危岩落石处设计所需的横断面，并将危岩落石信息标注在横断面线上。

2 工程实例应用

2.1 工程概况

衢宁铁路是典型的山区铁路，桥隧众多，隧道口及桥台处常常存在众多危岩落石，给铁路的施工和后期运营带来了很大的隐患。地面激光雷达技术和无人机技术是近年来出现的新技术，结合两种技术可大面积、高分辨率快速获取工点的三维数据，为危岩落石调查和整治提供了一种全新的技术手段。

2.2 作业流程

1）数据预处理。获取工点倾斜影像数据以及地面激光雷达点云数据后，利用反射标靶将激光点云配准到统一的工程坐标系下，进行并利用影像数据对原始点云赋色，并对点云进行分类。如图1所示，图1（a）为原始点云强度图；图1（b）为工点对应的倾斜影像数据；图1（c）为赋予颜色之后的点云。

图1 激光雷达数据成果Fig.1 LiDAR Data Achievements

2）工点真三维模型重建。利用人工设置的地面控制点以及激光点云生成的控制点对倾斜影像进行定位定姿，并利用激光点云数据实现遮挡区域及异形结构的三维重建，与倾斜影像建立的实景模型融合，建立测区真三维模型。如图2所示，图2（a）为人工布设的地面控制点，结合激光点云生成的控制点即可对倾斜影像进行三维重建；图2（b）为建立的测区真三维模型，模型具有精度高、逼真等优点，真实还原了工程现场，为困难复杂工点勘察设计提供了最优的数据基础。

图2 地面控制点及工点三维实景模型Fig.2 3D Real Scene Model of Construction Site

3）危岩落石解译。根据危岩落石的色调、纹理、亮度等通用遥感机理特征，在实景三维模型中进行危岩落石信息的提取，包括人工或人机交互式信息提取，确定其分布范围、规模大小、空间形态和位置。如图3所示，在三维模型上对危岩裂缝进行解译，并对解译结果进行分类编号，解译结果共分为裂缝和危岩两大类，有效查明了危岩体、节理裂隙的发育趋势、分布状况及其空间形态和空间位置，为边坡防护设计提供了详细的地质资料。

图3 危岩落石解译Fig.3 Identification of Dangerous Rock Falling

4）工点地形图及断面生成。利用分类后的地面点云生成DEM（digital elevation model），获取地貌信息。对三维模型进行地物量测，同时利用点云数据获取遮挡区域地物信息。将地貌信息和地物点导入到Cass成图软件中编绘整饰，生成高精度的大比例尺工点地形图，如图4（a）所示。利用激光雷达数据提取危岩落石处置设计所需的横断面，如图4（b）所示，并将危岩落石信息标注在地形图及横断面线上。

图4 工点地形图及断面结果Fig.4 Topographic Map and Section Results of Construction Site

2.3 效益分析

1）精度高。在工程现场采用GPS-RTK（realtime kinematic）测量了6个平面检查点，30个高程检查点，经检测地面激光雷达平面精度为0.09 m，高程精度为0.15 m，倾斜摄影平面精度为0.08 m，裸露处高程精度为0.11 m，完全满足铁路工点勘察的精度要求。

2）效率高。结合倾斜摄影与地面LiDAR的工点勘察方法相比于传统方法，效率提高10倍以上。

3）信息量丰富，可回溯性强。该方法完美结合了倾斜摄影与地面LiDAR技术的优点，可一次性获取工点的全息三维数据，信息量非常丰富，可随时对数据进行回溯。

4）安全性好。采用该方法无需调查人员攀爬陡峭的山坡，保证了调查人员的人身安全，同时对于运营的铁路线也可安全调查。

3 结束语

在现有铁路勘察方法的基础上，提出了一种基于遥感技术的精细工点勘察方法，该方法在山区、城市复杂场景、既有线路等复杂工点具有很好的勘察效果，勘察成果能为工程设计提供完备的基础数据，极大地提高了工点勘察的效率和质量，弥补了传统勘察方法的不足。该方法技术体系先进，经济、社会效益显著，对我国的铁路建设以及铁路运营维护能力的发展具有促进意义，同时对公路等其他领域勘察技术的发展具有借鉴意义。