趙勝?gòu)?qiáng)

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

1 概述

鐵路勘測(cè)是鐵路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，貫穿了鐵路規(guī)劃、可研、初步設(shè)計(jì)到施工圖設(shè)計(jì)等各個(gè)階段。高速鐵路呈帶狀分布，線路里程長(zhǎng)、跨度大，往往需要跨越山區(qū)、密林等地形復(fù)雜區(qū)域，這給高速鐵路勘測(cè)帶來(lái)了巨大困難[1]。傳統(tǒng)勘測(cè)以皮尺、全站儀、水準(zhǔn)儀和GNSS等設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，作業(yè)效率、安全系數(shù)較低[2]。如何突破傳統(tǒng)勘測(cè)技術(shù)瓶頸，快速準(zhǔn)確獲取地表信息，提高外業(yè)工作效率顯得尤為重要。

激光雷達(dá)(簡(jiǎn)稱LiDAR)是集成激光測(cè)距、定位、慣性導(dǎo)航和攝影測(cè)量功能于一體的高新測(cè)繪技術(shù)[3]。相較于傳統(tǒng)測(cè)繪手段，具有全天時(shí)、作業(yè)效率高、植被“穿透”能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)[4]，尤其適用于高山峽谷等地形復(fù)雜地區(qū)數(shù)據(jù)采集，近年來(lái)備受業(yè)界關(guān)注。

關(guān)于激光雷達(dá)技術(shù)，在多個(gè)領(lǐng)域已有較多應(yīng)用，賀成成等以喀喇昆侖公路為例，探討了機(jī)載LiDAR技術(shù)在公路建設(shè)中的應(yīng)用效果[5]；丘丹等結(jié)合工程數(shù)據(jù)將人力勘測(cè)與無(wú)人機(jī)LiDAR系統(tǒng)勘測(cè)進(jìn)行對(duì)比，說(shuō)明在條件復(fù)雜的架空線路改造中，兩種方式相結(jié)合可以制定出最優(yōu)施工方案[6]；牟春霖通過實(shí)驗(yàn)證明，車載激光雷達(dá)技術(shù)獲得的測(cè)量結(jié)果能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求[7]；朱雪峰提出一種基于機(jī)載激光雷達(dá)獲取密集激光點(diǎn)云和高分辨率數(shù)碼影像的方法，可生產(chǎn)鐵路設(shè)計(jì)所需的3D數(shù)字產(chǎn)品(DLG、DOM、DEM)和線路縱、橫斷面[8]；聶虎嘯提出了一種點(diǎn)云消冗方法，可有效控制航帶接邊處點(diǎn)云密集程度[9]；葛玉輝將無(wú)人機(jī)傾斜攝影和無(wú)人機(jī)LiDAR技術(shù)相結(jié)合制作出的三維實(shí)景模型，其精度可達(dá)5 cm[10]；田方證明機(jī)載LiDAR獲取的點(diǎn)云密度和精度能滿足密林山區(qū)地形測(cè)繪要求[11]；程玉書等將機(jī)載LiDAR、“3S”技術(shù)和慣導(dǎo)技術(shù)相結(jié)合，高效完成了河南省重要成礦區(qū)帶1∶5 000地形圖測(cè)繪任務(wù)[12]；肖源淼等提出一種基于POS線投影的鐵路橫斷面輪廓及軌頂點(diǎn)提取算法[13]；蔡悅以黑虎山船閘作為試驗(yàn)區(qū)域，認(rèn)為機(jī)載LiDAR在山區(qū)獲取的點(diǎn)云密度和精度能滿足山區(qū)地形圖繪制的要求。

不難看出，雖然激光雷達(dá)技術(shù)在鐵路工程中已有較多應(yīng)用，但大都只是針對(duì)某一方面進(jìn)行討論。基于此現(xiàn)狀，以下試圖全面分析LiDAR技術(shù)在制作數(shù)字高程模型(簡(jiǎn)稱DEM)、橫縱斷面、大比例地形圖測(cè)繪、通防掃描等數(shù)字化產(chǎn)品中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為激光雷達(dá)技術(shù)在鐵路勘測(cè)中的推廣應(yīng)用提供思路。

1 LiDAR技術(shù)在鐵路勘測(cè)中的應(yīng)用

1.1 數(shù)字高程模型制作

數(shù)字高程模型可用來(lái)描述地表起伏形態(tài)的空間數(shù)據(jù)[15]。設(shè)計(jì)專業(yè)可基于數(shù)字高程模型開展線路方案設(shè)計(jì)比選、橋梁墩臺(tái)設(shè)計(jì)等。

一般情況下，可通過對(duì)既有地形圖數(shù)字化提取、公開數(shù)據(jù)源收集來(lái)獲取數(shù)字高程模型。但因其精度較低，只能滿足鐵路預(yù)可研和可研階段的需求。對(duì)于鐵路初步設(shè)計(jì)和定測(cè)階段，多采用機(jī)載LiDAR技術(shù)制作高精度的數(shù)字高程模型。對(duì)LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行檢校、高程擬合、濾波分類等處理后，將分離出的地面點(diǎn)用相關(guān)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化，即可根據(jù)項(xiàng)目需求得到不同分辨率的數(shù)字高程模型。在此基礎(chǔ)上，還可進(jìn)一步批量生產(chǎn)粗模橫縱斷面(見圖1)，以提高鐵路定測(cè)初期線路方案的決策效率。

圖1 基于LiDAR數(shù)據(jù)生產(chǎn)的DEM及粗模橫縱斷面

1.2 橫縱斷面生產(chǎn)

橫斷面能反映垂直于線路方向的地形起伏情況，是路基、隧道、橋梁、站場(chǎng)等設(shè)計(jì)專業(yè)所需的基礎(chǔ)資料。縱斷面測(cè)量是將已批準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方案中線上各類點(diǎn)位測(cè)設(shè)到實(shí)地，是鐵路定測(cè)階段的主要勘測(cè)任務(wù)之一。

傳統(tǒng)橫(縱)斷面測(cè)量采用全站儀或GNSS接收機(jī)采集斷面上每個(gè)變坡點(diǎn)坐標(biāo)，不僅耗時(shí)費(fèi)力，一旦遇到陡崖等難以通行區(qū)域或GNSS信號(hào)被遮擋的密林山區(qū)，外業(yè)測(cè)量工作就無(wú)法開展。而機(jī)載LiDAR技術(shù)采用非接觸式作業(yè)手段，可以有效解決上述問題。

運(yùn)用LiDAR技術(shù)生產(chǎn)橫縱斷面，首先需要對(duì)LiDAR獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波分類，利用濾波分離出的地面點(diǎn)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)模型，進(jìn)而基于TIN模型和斷面線生產(chǎn)橫縱斷面成果。如圖2、圖3所示，黃色點(diǎn)云表示地面點(diǎn)，白色點(diǎn)云表示其他地物點(diǎn)?？梢钥闯?，基于將點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確提取橫、縱斷面線上的每個(gè)變坡點(diǎn)的位置和高程信息，參照正射影像后，還能對(duì)變坡點(diǎn)屬性進(jìn)行標(biāo)注，極大減少了外業(yè)工作量。

圖2 基于LiDAR數(shù)據(jù)生產(chǎn)的精細(xì)化橫斷面

圖3 基于LiDAR數(shù)據(jù)生產(chǎn)精細(xì)化縱斷面

1.3 大比例數(shù)字地形圖測(cè)繪

鐵路沿線重要復(fù)雜工點(diǎn)(隧道口等)需要大比例數(shù)字地形圖，為工程精細(xì)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)方法測(cè)繪大比例數(shù)字地形圖，需要采用全站儀或GNSS RTK采集測(cè)區(qū)內(nèi)所有地物地貌特征點(diǎn)坐標(biāo)，并現(xiàn)場(chǎng)繪制草圖，工作量大且易出錯(cuò)。而基于LiDAR技術(shù)，只需對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波分類，即可獲取測(cè)區(qū)內(nèi)所有地面點(diǎn)數(shù)據(jù)。之后，基于地面點(diǎn)自動(dòng)生成等高線，加上立體采集的少量地物，對(duì)圖面進(jìn)行適當(dāng)整飾與編輯后，即可出圖(見圖4)。繪制1 km2的1∶500地形圖，傳統(tǒng)測(cè)繪方法需用時(shí)7 d以上，而采用LiDAR技術(shù)后，內(nèi)業(yè)工作用時(shí)僅需1 d。

圖4 基于LiDAR數(shù)據(jù)制作大比例數(shù)字地形

1.4 通防掃描

通防掃描即測(cè)量與鐵路相關(guān)的超高壓線路設(shè)施，包括跨越鐵路的電力線高程、跨越點(diǎn)鐵路兩側(cè)電力線鐵塔(桿)的塔高等，并將勘測(cè)成果描繪到1∶2 000平面圖上。

傳統(tǒng)通防掃描使用全站儀測(cè)量，作業(yè)方式復(fù)雜、效率低、危險(xiǎn)系數(shù)高。采用LiDAR技術(shù)后，基于激光點(diǎn)云可快速、高效確定高壓電塔角點(diǎn)位置，高精度地測(cè)量鐵塔風(fēng)車高度、跨線路處高壓線最低點(diǎn)距地面高程、垂高等信息(見圖5)，外業(yè)人員只需實(shí)地補(bǔ)充調(diào)查鐵塔編號(hào)等屬性。通防掃描是激光雷達(dá)技術(shù)在鐵路勘測(cè)中的一項(xiàng)重要應(yīng)用。

圖5 基于LiDAR數(shù)據(jù)進(jìn)行通防掃描

1.5 既有線測(cè)量

既有線測(cè)量是鐵路勘測(cè)中比較重要且復(fù)雜的工作，需要精確測(cè)出鐵路軌頂高程，并完成道岔、車站信號(hào)機(jī)、站臺(tái)、排水溝、接觸網(wǎng)等測(cè)量工作，精度要求較高。此時(shí)可采用移動(dòng)背包式SLAM三維激光掃描系統(tǒng)，見圖6。相較于傳統(tǒng)全站儀測(cè)量手段，背包SLAM三維激光掃描系統(tǒng)大幅提高了采集數(shù)據(jù)的速度與全面性，可有效節(jié)省既有線上道時(shí)間。

在日常生活中，簽名是很常見的行為，如合同的簽署，訂單的確認(rèn)，支票的簽發(fā)，回復(fù)文件，通常來(lái)說(shuō)傳統(tǒng)的簽名都是手寫簽名。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們希望突破傳統(tǒng)簽名帶來(lái)的種種弊端，信息的發(fā)送者希望通過簽名來(lái)使信息的接受者確定信息的真實(shí)性，于此與此同時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)糾紛的時(shí)候，信息的接受者可以通過數(shù)字簽名來(lái)追蹤到信息的發(fā)送者來(lái)進(jìn)行承擔(dān)相應(yīng)的責(zé)任。可以說(shuō)，在現(xiàn)代社會(huì)，數(shù)字簽名技術(shù)正在潛移默化影響我們的生活。

圖6 背包SLAM系統(tǒng)用于既有線測(cè)量

2 工程應(yīng)用與分析

2.1 工程概況

長(zhǎng)沙至贛州高速鐵路(簡(jiǎn)稱“長(zhǎng)贛高鐵”)位于湖南省東部和江西省西南部，是國(guó)家高速鐵路網(wǎng)“八縱八橫”之一廈渝通道的重要組成部分。正線全長(zhǎng)429.48 km，所經(jīng)區(qū)域地形總體上呈現(xiàn)兩端低、中間高的形態(tài)，既有平原、丘陵等地貌，也有地勢(shì)高峻，重巒疊嶂的山脈。因其地勢(shì)復(fù)雜，加之項(xiàng)目定測(cè)階段工序多、時(shí)間緊、任務(wù)重，全外業(yè)作業(yè)模式難以滿足工期需求，故采用機(jī)載LiDAR作業(yè)模式。

2.2 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)可靠性評(píng)估

激光雷達(dá)技術(shù)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是否可靠，是決定其能否被運(yùn)用于鐵路工程項(xiàng)目的關(guān)鍵。以下從高程精度、平面精度及植被穿透力3個(gè)方面，將GNSS RTK野外實(shí)地采集的檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)與激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，統(tǒng)計(jì)點(diǎn)云與野外實(shí)測(cè)成果的誤差，進(jìn)而評(píng)估點(diǎn)云數(shù)據(jù)的可靠性。

(1)點(diǎn)云高程精度評(píng)估

在長(zhǎng)贛高鐵全線，按“平均每公里3個(gè)檢查點(diǎn)(分別位于中樁、左偏300～500 m、右偏300～500 m處)、遇到橫跨高速公路等重要控制地物處適當(dāng)加密”的原則，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)隨機(jī)采集了763個(gè)高程檢查點(diǎn)。將檢查點(diǎn)高程與點(diǎn)云高程逐一對(duì)比，精度統(tǒng)計(jì)見表1、圖7。

表1 點(diǎn)云高程精度統(tǒng)計(jì) m

圖7 點(diǎn)云高程精度統(tǒng)計(jì)

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，外業(yè)實(shí)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)最大高程誤差為-0.263 m，平均誤差為-0.051 m，中誤差為0.082 m，滿足長(zhǎng)贛高鐵實(shí)際應(yīng)用精度要求(點(diǎn)云高程中誤差不大于0.25 m)。

(2)點(diǎn)云平面精度評(píng)估

表2 點(diǎn)云平面精度統(tǒng)計(jì) m

(3)點(diǎn)云植被穿透力評(píng)估

長(zhǎng)贛高鐵沿線多山區(qū)密林，為檢查點(diǎn)云的植被穿透情況，在測(cè)區(qū)內(nèi)選取了8處有代表性的密林區(qū)域，并在每個(gè)區(qū)域內(nèi)均勻采集50個(gè)密林檢查點(diǎn)(見圖8)，其精度統(tǒng)計(jì)見表3。經(jīng)計(jì)算，密林區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)的最大高程誤差為0.392 m，平均誤差為0.002 m，中誤差為0.167 m，滿足高程精度要求。說(shuō)明點(diǎn)云的植被穿透能力較強(qiáng)，在山區(qū)用激光點(diǎn)云技術(shù)代替人工外業(yè)實(shí)測(cè)的方法可行。

圖8 密林檢查點(diǎn)在實(shí)地和點(diǎn)云模型中的位置

表3 點(diǎn)云密林區(qū)域精度統(tǒng)計(jì) m

2.3 激光雷達(dá)技術(shù)高效性評(píng)估

為驗(yàn)證激光雷達(dá)技術(shù)的高效性，以中線測(cè)量為例，在平地、丘陵、山地處分別選取2段5 km長(zhǎng)的線路中線，選派2組(每組1人)分別用GNSS RTK野外實(shí)測(cè)和點(diǎn)云內(nèi)業(yè)采集方法進(jìn)行中線測(cè)量，并統(tǒng)計(jì)2組完成任務(wù)所用的時(shí)間。為使實(shí)驗(yàn)更加嚴(yán)謹(jǐn)，圖9中“內(nèi)業(yè)采集”組耗時(shí)是綜合考慮了點(diǎn)云外業(yè)航飛及預(yù)處理耗時(shí)后的結(jié)果。

圖9 點(diǎn)云內(nèi)業(yè)采集與外業(yè)實(shí)測(cè)中線效率對(duì)比

由圖9可知，相較于外業(yè)人工實(shí)測(cè)，基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)測(cè)量中線效率平均提升1倍以上。且點(diǎn)云測(cè)量中線效率受地形影響較小，地勢(shì)越陡峭、地形越復(fù)雜，基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)采集中線的優(yōu)勢(shì)越明顯。由此可見，與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，激光雷達(dá)技術(shù)具有高效性。

3 結(jié)語(yǔ)

較為全面地探討了激光雷達(dá)技術(shù)在鐵路勘測(cè)中的應(yīng)用，包括數(shù)字高程模型制作、橫縱斷面生產(chǎn)、大比例數(shù)字地形圖測(cè)繪、通防掃描和既有線測(cè)量等方面，并分析其技術(shù)優(yōu)勢(shì)。最后以長(zhǎng)贛高鐵為例進(jìn)行應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：(1)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平面和高程中誤差均小于0.1 m，能滿足實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用需求；(2)采用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)測(cè)量中線，相較于外業(yè)人工實(shí)測(cè)，效率平均提升1倍以上；(3)點(diǎn)云測(cè)量中線效率受地形影響較小，外業(yè)實(shí)測(cè)中線效率受地形影響較大，地勢(shì)越陡峭、地形越復(fù)雜，基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)采集中線的優(yōu)勢(shì)越明顯。