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：TheApplicationofAirborneLIDARonRailwayMappinginTheMountainDuZhaoyuAbstractTheAirborneLIDARtechnologyisanewemergingscienceinrecentyears.TheproductionprocessofAirborneLIDARtechnologyhasintroducedinthispaper,thoughtsomespecificprojectexample.Ithassignificantlyimprovedtheefficiencyoftheinvestigation,andhasplayedasignificantadvantageonthecomplexterrainareas.Sothistechnologyhasbroadapplicationprospects.KeywordsAirborneLIDAR,PointCloud,POSsystem,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（FlightPlanning&EvaluationSoftware，飞行设计及评估软件，版本号10.1）为主要平台，AutoCAD、GoogleEarth、GlobalMapper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GPSRTK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FCMSRCD30进行试拍，自动选择合适的曝光和增益。在FCMSALS中点击选项“ExecuteFlight”，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FCMSALS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（RangeGate）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（webcameras）文件、ALSlog文件。用U盘将FCMSALS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framepro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framepro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IPASPro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GrafNav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、Mediumvegetation、Highvegetation、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GlobalMapper软件将grd文件进行批处理，选择转换源数据格式为“SurferGrid”，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、Mediumvegetation、Highvegetation、Building、Bridge5类，并将导出的grd文件在GlobalMapper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