机载LIDAR技术在山区铁路制图中的应用

机载LIDAR技术在山区铁路制图中的应用
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机载LIDAR技术在山区铁路制图中的应用
杜兆宇
（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京102600）
摘要机载LIDAR技术是最近几年发展应用的新兴科学;本文借助具体工程实例，阐述了机载
LIDAR技术在山区铁路制图中的生产流程，显著地提高了勘测效率，在地形复杂地区发挥巨大
优势,具有广阔的应用前景。

关键词机载LIDAR;点云；POS系统；镶嵌
Title:The Application of Airborne LIDAR on Railway Mapping in
The Mountain
Du Zhaoyu
Abstract The Airborne LIDAR technology is a new emerging science in recent years. The production
process of Airborne LIDAR technology has introduced in this paper, thought some specific project
example. It has significantly improved the efficiency of the investigation，and has played a significant
advantage on the complex terrain areas. So this technology has broad application prospects。

Key words Airborne LIDAR, Point Cloud，POS system, Mosaic
常规铁路制图方法是航空摄影测量，在山区和沙漠地区等恶劣自然条件下，航空影像的获取和地面控制点的施测会有很大的困难。

机载LIDAR技术[1]是一种综合利用激光、全球定位系统（GPS）、惯性导航系统（INS)的数据采集技术，相较于传统航空摄影测量技术，具有自动化程度更高,受环境影响较小,数据生产周期短、精度高等特点。

该系统在三维空间信息的实时获取方面取得了重大突破,为获取高时空分辨率地球空间信息提供了一种全新的技术手段。

1 机载LIDAR技术
机载LIDAR是一种集激光、全球定位系统和惯性导航系统三种技术于一身的空间测量系统［2］。

该系统是将激光扫描仪、GPS接受机、惯性导航系统、数码相机及控制元件等搭载在载体飞机上.它通过主动向地面发射激光脉冲，接受地面反射回来的反射脉冲并同时记录所用时间，从而计算出激光扫描仪到地面的距离，结合POS系统测得的位置和姿态信息可计算出地面点的三维坐标。

2 机载LiDAR 作业流程
LiDAR作业过程分为航线设计、检校场布设及检校飞行、基站布设及联测、航摄作业、
数据下载及格式转换、数据处理。

2.1 航线设计
LiDAR飞行航线设计针对ALS60三维激光扫描仪和RCD30数码相机硬件参数[4］，以FPES(Flight Planning & Evaluation Software，飞行设计及评估软件，版本号10。

1）为主要平台,AutoCAD、Google Earth、Global Mapper为辅助设计工具，以SRTM3地形数据为依据，生成覆盖指定区域的多条航线,以导航文件（。

fpd文件）形式导出，用于控制航摄飞行。

航线设计包括基本参数的确定、航摄分区、航线生成。

①基本参数的确定
以相关规范要求为基础，根据现场情况与项目要求，确定扫描角、飞行航速、航向及旁向重叠度、航线高度等基本参数。

②航摄分区
测区区域划分按以下三个原则进行：首先，区域为不同类型地物的混合，需将其划分为多个单独的面状区域和条带状区域；其次，区域内地形起伏较大，按照单一区域设计的航线无法满足需要，需通过区域划分将该区域划分为多个小区域，从而减小同一区域的地形起伏;最后，GPS基线长度对精度的影响.对测区进行划分以避免单条航线的长度超过60公里。

③航线生成
FPES包含针对两种类型区域的设计模式，即面状区域和条带状区域，各种区域都视为二者中的一种或二者的混合。

2.2 检校场布设及检校飞行
①选择检校场
LiDAR飞行检校场范围约为3×3平方公里，需包含两条尽量垂直的道路（最好是铺装路面），其中至少一条较直,还需包含一定数量的尖顶房屋.检校场的选址既要满足设备检校所需条件,又要满足机场空域避让条件。

②检校场航线设计
检校场航线共设计8条航线，其中激光检校航线6条,相机检校航线4条（其中有2条航线为激光和相机检校共用）[4]。

激光检校航线要求在两个不同的高度飞行，其中低航高2条交叉航线,相对航高为1350米；高航高为4条航线，包含2条交叉航线、1条反向航线和1条平行航线（30％的重叠度），相对航高为2300米.扫描角为45度。

航线示意图如下：
图1 检校航线示意图
相机检校航线要求在同一个航高进行,航线为4条,设计航高为1350米，包含2条垂直交
叉航线、2条反向航线，每条航线至少需要12张影像相对。

航向重叠度为80％，航线扫描角为45度。

③检校场测量点的布设及测量
为顺利进行检校和提高检校精度，需在检校场布设控制点.控制点由三部分组成：基站控制点、激光检校控制点和相机检校控制点。

基站控制点一般由检校场内或附近的已知点组成,没有已知点的情况下需要在测区内加密已知点,并测量和求解加密点的坐标。

测量设备采用GPS进行静态测量，采用CPII观测标准进行测量，观测时间为两个时段，每个时段1个小时,观测卫星数不少于5颗。

基线较长时中间应该加密转点或延长观测时间。

激光控制点类型包含:直线控制点和零散控制点，激光控制点布设在路面上，且地物材料均匀。

避免高低反射率交接地区，避免周围地物遮挡，避免在陡坎和地物过度边界、便道边缘布设；直线控制点布设道路上，每隔5米一个控制点，长度大约2公里，精度<5cm。

测量方式采用GPS RTK测量。

零散控制点在中心区域均匀布设15—20个控制点，精度〈2cm。

测量方式采用GPS静态作业模式测量，观测时间为15分钟。

激光控制点在测量的同时，基站控制点的GPS要一直进行测量。

以参考站作为已知点,其它的零散控制点作为未知点，利用LGO解算基线,国内的网平差软件进行坐标求解［5]。

相机控制点在重叠中心区布设5-10个控制点，在航线四个边缘区域总共布设5-10个控制点，精度〈5cm。

相机控制点要求选取地物特征点,点位辨认精度同常规像控点，并做好点之记和控制点照片存档,测量方式采用GPS静态作业模式测量，观测时间为15分钟。

相片控制点在测量的同时，基站控制点的GPS要一直进行测量.以参考站作为已知点,其它的零散控制点作为未知点，利用LGO解算基线，国内的网平差软件进行坐标求解。

2。

3 地面基站布设及联测
当测区采用LiDAR系统开展航摄任务时，为配合航拍时飞机上惯导和GPS的工作，在航摄飞行的同时,需分别在机场以及距离测区30公里以内的指定地点设置GPS基准站，基站布设需使所有航线不超过其50km范围［2]。

基站观测应采用目前国内通用的双频GPS接收机，其精度应达到5cm。

地面基站GPS采样率设置为0.5秒,卫星截止高度角设为10度,测量并记录仪器高。

地面基站可以架设在国家A、B级GPS控制点上，也可自行布设基站点，与已知点进行联测.
2.4 航摄作业
①天气及卫星情况要求
LiDAR航摄作业要求天气状况良好，飞行高度与地面之间范围内无云或浓雾，能见度大于3公里。

为确保飞行的有效性,规定一般情况下,当PDOP（卫星数量参数）值≤4的时候才能进行航摄飞行。

②航测飞行
当飞机达到航线的飞行高度时，打开扫描仪下端的机舱盖（如果有的话），在该高度下通过FCMS RCD30进行试拍，自动选择合适的曝光和增益。

在FCMS ALS中点击选项“Execute Flight” ，选择所要飞行的航线.系统会引导进入航线,根据制定的飞行计划自动控制
激光发射与相机曝光。

在临近测区3－5分钟左右，需要做8字飞行，以便提高IPAS的精度.进入第一条航线，通过FCMS ALS进行导航。

保证一次回波率在90％以上，底视距离（当前AGL）等于设计的AGL。

与飞行员进行协调，保证飞行的高度和航线偏离在允许范围（Range Gate)内。

飞行过程中,需要尽量保证飞机的平稳运行,要求飞机在飞出航线至少500米后才可以进行掉头，调头的过程中要尽量保证飞机机身的水平,不要产生大的侧偏。

执行其余的航线直到所有航线执行完毕。

在飞离测区3－5分钟后，进行8字飞行，对准IPAS 的精度。

在飞机降落后，进行至少5分钟的静态观测,保证DGPS的精度。

也可以在天上做至少4分钟的动态GPS观测。

③基站同步观测
在有条件架设地面基站的前提下，地面基站需在飞行起飞至少半小时前开机，飞机降落至少半小时后关机，期间不得间断，数据读取间隔为0。

5秒。

2.5 数据下载及格式转换
①数据下载
飞行结束后拆下激光数据硬盘和影像数据硬盘，将数据下载至移动工作站中,数据包括原始影像数据文件、相机参数文件、曝光数据文件、原始IPAS数据文件、原始激光数据文件、ALS预览影像(web cameras）文件、ALS log文件。

用U盘将FCMS ALS中执行后的飞行计划文件导出[5］。

地面基站GPS数据,基站架设高度等,由测量人员发送给数据预处理人员。

②影像数据转换
采用frame pro软件将原始影像数据.raw文件下载转换为tiff格式,转换数据为8bit,RGB 三通道[6]。

在转换过程中通过frame pro对影像清晰度、有无阴影等进行快速检查.
③飞行导航数据处理
采用IPAS Pro软件将原始IPAS数据解压成快速航迹文件.rnv、机载GPS数据。

gps文件和机载IPAS数据.imu文件。

在Graf Nav软件中将机载GPS与基站GPS数据进行差分处理（无地面基站应采用PPP模式解算)，生成航迹位置文件。

lat［5］。

将航迹位置文件导入回IPAS，与IPAS数据的联合解算生成航迹文件。

sol。

④点云数据预览与检查
由快速航迹文件与激光文件生成点云预览数据,打开点云预览数据，对点云密度、飞行重叠度等进行检查.
2.6 数据处理
LiDAR数据处理基于LiDAR航摄采集数据,以Terrasolid为主要平台，生成DOM、DSM 和DEM产品，主要流程如下：
图2 数据处理流程图
①点云数据分块
对点云进行裁剪、截块，绘制裁块后的点云block块.导入航线数据，将点云数据与航线进行匹配。

采用宏命令提取groud类点.
②制作粗imagelist
运行宏命令提取model_keypoint，从采集的camera文件中制作粗imagelist,对imagelist 进行编辑，删除多余影像号，并对影像编号进行编辑。

③数据预处理
将点云数据与imagelist转换至制定坐标系中,提取model_keypoint，对imagelist进行编辑，删除多余影像编号,用国家85高程水准拟合模型对imagelist进行高程系转换，从WGS84高程转到国家85高程［3］。

导入原始影像,生成粗DOM。

④点云分类
对点云进行精确划分，将点云划分为Ground、Medium vegetation、High vegetation、Building、Bridge等多个类别［5]。

⑤生成DEM、DSM
由TScan导出中间格式（grd）文件，使用Global Mapper软件将grd文件进行批处理,选择转换源数据格式为“Surfer Grid"，对grd文件进行格式转换，生成DEM。

在导出grd文件时需要选择Ground、Medium vegetation、High vegetation、Building、Bridge 5类，并将导出的grd文件在Global Mapper以相同方式进行格式转换,生成DSM。

⑥空三加密
对model_keypoint进行裁剪，对imagelist进行编辑，加影像划分为多个区域，并对各个区域影像分别进行空三加密，加密方式可采取手动、半自动或自动的方式进行.对精度较差的坏点进行剔除，将每个分区的空三加密成果集成在一起进行整体处理,并对结果进行保存。

依据空三加密结果对imagelist进行修正,生成精确的imagelist，并对结果进行检查。

⑦生成DOM
在精确分类后的点云中重新提取model_keypoint，在Tphoto中生成DOM，可采用手动和半自动的生成方式。

对生成的DOM进行裁剪，在不影响DOM精度的情况下，对DOM
中的一些拼接线印记、局部色调差异、区域模糊等进行PS处理，生成最终DOM产品，并对DOM进行精度检查.
3 工程实例
新建和顺至邢台铁路地处太行山南麓,山峦起伏,地形复杂;若采用常规航空摄影测量方法，基础控制、像控、刺点调绘等外业工作量艰巨，给外业人员的人身安全带来巨大威胁；经过技术论证，决定全线采用机载LIDAR技术制图，采用少量地面控制点，生成DEM、DSM和DOM产品，将点云高程与地面RTK实测结果进行比较。

在测区中采集外业检查点总共370个,在TerraScan软件中导入该控制点文件和原始LAS 激光点云文件，将点云内插高程结果与地面测量点进行差值计算得出每个采样点的高程误差值Z值，结果如下：
表1 高程误差计算结果
根据误差分析报告，统计出各个区间的分布情况，结果如下表：
表2 高程差值分布表
其中，在（—σ，+ σ）之间的占68。

6％，（-2σ,+2 σ）之间的占94％.
整个数据集的分布符合正态分布规律，且94％的误差分布在2σ之间，排除有个别点的数据存在粗差和随机误差之外，整体的数据集稳定性很好，激光点云数据能够很好的符合实际地面模型。

采用机载LIDAR技术，外业工作量大大减少，成图周期显著缩短；在项目定测阶段,线路纵断面和路基横断面直接在图上量取，显著提高了外业勘测效率。

4 结论
机载LIDAR技术是一种新的获取数据的测绘新方法，具有传统航空摄影测量无法比拟的优势。

尽管也有一些局限性，例如要求测量目标必须可见，不能穿透极其茂密的树冠到达地面，不能完全替代航空摄影测量等，但在地形条件较差和气候恶劣条件下显现的优势明显可见。

随着在铁路勘测设计中应用机载LIDAR技术的研究进一步深入，LIDAR技术在铁路建设中的应用必定有更广阔的发展前景。

参考文献：
[1］徐祖舰，王滋政，阳锋．机载激光雷达测量技术及工程应用实践［M］．武汉：武汉大学出版社，2009. [2］张小红．机载激光雷达测量技术理论与方法［M］．武汉：武汉大学出版社，2007.
[3］王兆祥，傅晓村，卓健成．铁路工程测量［M]．北京：测绘出版社．1986
[4］朱士才，LIDAR的技术原理以及在测绘中的应用［J]．现代测绘，2006，29(4）
［5] 马洪超，姚春静,徕卡机载激光雷达的数据获取与处理［J]．测绘通报，2008（10):70-71．
[6] 陈松尧，程新文．机载LIDAR系统原理及应用综述[J］,测绘工程，2007(2）:119-124．
作者简介:杜兆宇（1977年2月-)男，河南洛阳人，高级工程师，工学学士,工程硕士。

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