(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北 武漢 430063)

機(jī)載Lidar數(shù)據(jù)在鐵路測(cè)繪中的應(yīng)用

商其亞

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司湖北武漢430063)

介紹機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)(LIDAR)及其應(yīng)用。

機(jī)載 LIDAR；鐵路測(cè)繪；軌道提取

一、LIDAR概述

LIDAR全名Light Detection And Ranging，是一種激光掃描測(cè)量技術(shù)，它利用GPS和IMU(慣性測(cè)量裝置)定位定姿的機(jī)載。它利用激光掃描儀對(duì)地面進(jìn)行連續(xù)掃描，直接獲取三維激光點(diǎn)云，利用分類技術(shù)將建筑物移除、覆蓋植物等測(cè)點(diǎn)，保留地表測(cè)點(diǎn)，即可獲得數(shù)字高程模型(DEM)。配合搭載數(shù)碼相機(jī)所拍攝的高分辨率數(shù)碼影像，進(jìn)而生產(chǎn)數(shù)字線劃圖(DLG)。機(jī)載激光雷達(dá)(LIDAR即Light Detection And Ranging)是集成了激光測(cè)距技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、慣性測(cè)量單元(IMU)/DGPS差分定位技術(shù)于一體的空間測(cè)量系統(tǒng)，用于獲取數(shù)據(jù)并生成精確的DEM。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)屬于半主動(dòng)式直接測(cè)量技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量技術(shù)，可大幅減少測(cè)量工序及人工觀測(cè)制圖的工作量，并且機(jī)載激光雷達(dá)是一種成本低、效率高的空間數(shù)據(jù)獲取方法。其絕對(duì)精度可在0.1～0.5m之間。它的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)大范圍、沿岸島礁海區(qū)、不可進(jìn)入地區(qū)(如沙漠地區(qū)、沼澤等)、植被下層，以及地面與非地面數(shù)據(jù)的快速獲取。而這正是用其他方法所不能得到的，或是在高昂成本下才能獲得的。因此，LIDAR技術(shù)為困難地區(qū)提供了一種方便、快速、節(jié)省的空間數(shù)據(jù)獲取方法，是近年來(lái)應(yīng)用越來(lái)越廣泛的測(cè)量技術(shù)的一種。

LIDAR系統(tǒng)是由一個(gè)單束窄帶激光器和一個(gè)接受系統(tǒng)組成的。激光器產(chǎn)生并發(fā)射一束離散的光脈沖，打在物體上并反射，然后被接收器所接受，接收器準(zhǔn)確地測(cè)量光脈沖從發(fā)射到被反射回的傳播時(shí)間。由于光速已知，光脈沖的傳播時(shí)間即可計(jì)算測(cè)量的距離。結(jié)合激光器的高度和激光掃描角度，從GPS得到的激光器位置和從INS得到的激光始發(fā)方向，就可以準(zhǔn)確地計(jì)算出每一個(gè)地面光斑的坐標(biāo)X、Y、Z。

二、機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

目前，鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取方式主要是傳統(tǒng)的攝影測(cè)量及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。相比而言，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：

1.全天候數(shù)據(jù)獲取，不受太陽(yáng)高度角、能見(jiàn)度等外界因素影響，可全天候作業(yè)。傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量由于采用被動(dòng)遙感，無(wú)法在特定時(shí)段作業(yè)。而作為新型主動(dòng)遙感設(shè)備，LIDAR數(shù)據(jù)獲取采用自身能源發(fā)射脈沖，不受這些因素影響。

2.地面控制簡(jiǎn)便，傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量需配合大量選、刺點(diǎn)工作完成空三加密，且常受到地物辨識(shí)度低、天氣、測(cè)量精度等因素的影響，地面控制繁瑣。而LIDAR航拍，地面控制點(diǎn)要求少。

3.直接獲取DEM與DSM，傳統(tǒng)攝影測(cè)量方法獲取測(cè)區(qū)地形數(shù)據(jù)，主要是基于立體像對(duì)提取，對(duì)于不同天氣、不同時(shí)相條件下的立體像對(duì)，地形數(shù)據(jù)的質(zhì)量、效率和可靠性得不到有效保障。由于激光脈沖回波的多值性，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)可同時(shí)量測(cè)地面和非地面信息。通過(guò)濾波與分類處理，可直接獲取測(cè)區(qū)數(shù)字高程模型(DEM)與數(shù)字表面模型(DSM)。

4.數(shù)據(jù)處理快速、精度質(zhì)量高LIDAR數(shù)據(jù)獲取后，采用配套數(shù)據(jù)處理軟件便可獲得生產(chǎn)成果。同時(shí)，由于點(diǎn)云密度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)地面測(cè)量，數(shù)據(jù)精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)測(cè)量方法。

5.斷面數(shù)據(jù)采集的高效率及準(zhǔn)確性LIDAR傳感器發(fā)射的激光脈沖能部分地穿透樹(shù)林遮擋，直接獲取高精度三維地表地形數(shù)據(jù)。LIDAR數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)相關(guān)軟件數(shù)據(jù)處理后，可以生成高精度的數(shù)字地面模型、等高線圖，具有傳統(tǒng)攝影測(cè)量和地面常規(guī)測(cè)量技術(shù)無(wú)法取代的優(yōu)越性。

三、機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)獲取

1．航線規(guī)劃是在數(shù)據(jù)獲取前非常重要的工作，它的目的在于確定LiDAR系統(tǒng)載體的飛行線路，為數(shù)據(jù)采集過(guò)程實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，保證全面、正確地獲取符合要求的激光數(shù)據(jù)。在具體的規(guī)劃中還需要知道選用的橢球標(biāo)準(zhǔn)和投影方式，這對(duì)于大片或者帶狀區(qū)域意義重大。

飛行高度、激光發(fā)射頻率和掃描角共同決定了激光點(diǎn)云的密度，決定成果的分辨率，不同的飛行高度對(duì)激光發(fā)射頻率上限有不同的要求，所以在飛行進(jìn)行之前需要綜合考慮。同時(shí)為了得到均勻分布點(diǎn)云，對(duì)飛行器的飛行速度也會(huì)有相應(yīng)的要求，飛行器一般有最低速度限制，需要激光器設(shè)置調(diào)整。對(duì)于集成了各類相機(jī)的系統(tǒng)，還需控制航帶和曝光點(diǎn)來(lái)滿足重疊率的要求。

2．地面GPS基站布設(shè)對(duì)于帶狀的測(cè)區(qū)，需要沿道路方向每隔一段距離布設(shè)一個(gè)GPS基站，根據(jù)GPS差分原理以及項(xiàng)目實(shí)際基線長(zhǎng)度應(yīng)該控制在適合的范圍，一般在20km以內(nèi)，這樣才能達(dá)到GPS差分效果的最優(yōu)化。在機(jī)載LiDAR系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)之前，設(shè)定好一致采樣頻率。并且開(kāi)機(jī)工作，保證系統(tǒng)GPS工作時(shí)間有地面基站與其差分。

3．確保獲取數(shù)據(jù)的質(zhì)量。為了得到全面、精確、符合要求的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，應(yīng)該在數(shù)據(jù)采集前做好充分的準(zhǔn)備，采集過(guò)程中密切關(guān)注數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)情況。

對(duì)于儀器懸掛在飛行器外面的情況，要做好防風(fēng)防雨措施，導(dǎo)航和存儲(chǔ)單元應(yīng)保證其散熱良好，飛行器飛行中會(huì)連帶激光器產(chǎn)生高頻震動(dòng)，系統(tǒng)的搭載器件在牢固的前提下應(yīng)做好減震防護(hù)。

四、LiDAR在道路勘測(cè)中的應(yīng)用

1.制作DTM和DSM數(shù)字地面模型(DTM)是利用一個(gè)坐標(biāo)系中的大量已知坐標(biāo)，得到的連續(xù)的帶有地理特征地面模型，還包括坡度坡向特性。具體實(shí)現(xiàn)主要以TIN三角網(wǎng)或者規(guī)則格網(wǎng)為基礎(chǔ)來(lái)建立數(shù)字地面模型，數(shù)字地表模型(DSM)是對(duì)地球表面各類地物和綜合描述。二者的區(qū)別在于前者是去除掉植被，建筑物等物體后，反映地球表面最根本的構(gòu)造模型，而DSM則包括植被和各種建筑。DTM對(duì)于道路勘測(cè)的作用十分重要，通過(guò)它能夠迅速得到關(guān)鍵區(qū)域的橫斷面;激光具有穿透特性，根據(jù)激光波的強(qiáng)度和回波信息可以實(shí)現(xiàn)地面和植被的分離，LiDAR建立的地面模型相比航拍具有更好的精度水平，尤其是高程方面，并且與GPSRTK方法相比，能節(jié)省大量的資源和時(shí)間，根據(jù)其精確的高程數(shù)據(jù)，有利于勘測(cè)過(guò)程中土方量的計(jì)算。根據(jù)DTM還能生成等高線圖和各類地形圖，可以滿足勘測(cè)設(shè)計(jì)需要。

2.與其他數(shù)據(jù)相互融合，機(jī)載LiDAR系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)缺少相應(yīng)的紋理和光譜信息，為了使獲取的信息更加全面，可以利用高分辨率數(shù)碼相機(jī)甚至高光譜相機(jī)同步獲取地面的真彩影像信息。LiDAR系統(tǒng)自帶了高精度POS系統(tǒng)(GPS和IMU)，得到的POS數(shù)據(jù)可以與相機(jī)共享，采用POS系統(tǒng)輔助光束法來(lái)生成正射影像。激光數(shù)據(jù)具有明顯的三維特征，這兩種數(shù)據(jù)融合能夠?qū)⒏髯缘膬?yōu)勢(shì)集合起來(lái)，生成的三維模型也更加逼真。可以將正射影像和處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)同一標(biāo)準(zhǔn)的地理坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)激光點(diǎn)和相元的一一對(duì)應(yīng)，把相元的色彩和光譜信息賦到激光點(diǎn)上。還可以在LiDAR數(shù)據(jù)輔助下采用多種算法對(duì)高分影像進(jìn)行輪廓提取，然后通過(guò)激光點(diǎn)云的高程信息完成目標(biāo)區(qū)域的三維重建，這種以各類影像為基礎(chǔ)，通過(guò)實(shí)現(xiàn)建筑物三維重建的融合手段已經(jīng)在電子地圖方面得到了應(yīng)用。

[1]張小紅．機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)理論與方法[M]．武漢:武漢大學(xué)出版社，2007

[2]黃華平，李永樹(shù)．機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)在鐵路勘測(cè)中的應(yīng)用[J]．測(cè)繪，2010，33(5):216-217

[3]韓改新．機(jī)載激光雷達(dá)(LIDAR)技術(shù)在鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探討[J]．鐵道勘察，2008(3):1-4

[4]蔣珊珊．機(jī)載激光雷達(dá)LIDAR在植被茂密地區(qū)提高數(shù)字測(cè)圖精度研究[J]．鐵道勘測(cè)與設(shè)計(jì)，2013，191(5):37-39

商其亞(1987-)，男，漢族，江蘇鹽城人，工程師，理學(xué)碩士，中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司。