基于地面激光雷达技术的铁路工点地形图测绘方法

夏绪川

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉　430063)



基于地面激光雷达技术的铁路工点地形图测绘方法

夏绪川

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063)

摘要对于地处陡崖、峡谷等复杂困难地区的铁路建设工点，采用常规方法很难测绘其所需的1∶500工点地形图。研究基于地面激光扫描技术的铁路工点地形图测绘方法和流程。工程应用表明，该方法具有劳动强度低、安全系数高等优点，其成果满足铁路1∶500工点地形图的精度要求。

关键词地面激光雷达铁路工点地形图

在铁路设计中，优化线路方案、选择桥型桥式、定位桥墩桥台、地质钻孔布置及隧道进出口位置勘测等工作都需要测绘工点处的1∶500工点图。目前，铁路1∶500工点地形图通常采用GPS-RTK、全站仪等技术人工实地测绘完成，手段虽然成熟可靠，但费时费力，特别是在险、难勘测工程环境下，给测绘人员的安全和勘测质量带来较大隐患。

地面三维激光扫描技术通过内业对三维点云进行信息提取，可以生成高质量的地形图。该方法具有测量精度高、劳动强度低、安全系数高等优点，与GPS-RTK、全站仪等技术相比具有明显的优势。以Rigel VZ1000三维激光扫描仪为例，对基于地面激光扫描技术测绘铁路1∶500工点地形图的数据采集与数据处理方法进行研究。

1数据采集

1.1Rigel VZ1000扫描仪

地面三维激光扫描仪分为脉冲式和相位式两种。脉冲式激光扫描仪的特点是测程较长，点位精度较高，并配备数码相机，但扫描速度较慢，视场角较小，单站作业效率较低。而相位式激光扫描仪的特点是速度非常快，视场角较大，近似于全方位扫描，单站作业效率较高，但测程较短，点位精度较低。铁路工点位置多处于山区，脉冲式激光扫描仪更为合适。

Rigel VZ1000地面激光扫描仪属于脉冲式激光扫描仪，是Rigel公司新一代激光扫描仪的代表性产品，全波形回波技术和实时全波形数字化处理与分析技术使其可穿透植被获取地表信息，特别适合山区作业，其主要参数如表1所示。

表1　Rigel VZ1000地面激光扫描仪主要参数

1.2数据采集方案

(1)控制网点布设

地面激光扫描仪直接获取的是局部坐标系坐标，需要通过控制点将获取的点云数据变换到铁路工程所在的测区坐标系中。铁路工程建设中，在工点图测绘前，通常已经建立基础控制网(一般沿线路每5 km布设一对点)，扫描前，可以通过GPS-RTK和高程拟合技术对基础控制网进行加密，在工点附近建立局部控制网，用于后续坐标变换。

(2)反射标靶的布设与测量

Rigel VZ1000三维激光扫描仪通过反射标靶进行定向，扫描时一个工点须布设3个以上反射靶标。反射靶标的布设须充分考虑测区的地形地貌形态，尽可能使反射靶标呈环形均匀布设，距离远近不一，高度不同，并避免所有靶标在一个平面上。反射标靶的测量可采用无合作目标全站仪进行，首先通过局部控制网对全站仪进行定向，然后对反射靶标进行一一测量。

(3)扫描作业

典型的Rigel VZ1000三维激光扫描仪的作业流程如下：

①根据工点的实际情况、扫描距离和角度，选择架站位置，将扫描仪架在三脚架上，组装好扫描仪，并将扫描仪与便携计算机连接好，打开扫描仪和计算机，确定二者通信正常。

②在RiScan Pro软件中建立测站，粗扫全景点云并拍摄全景影像。

③对布设的反射靶标进行精扫。

④根据工点的范围，在粗扫的点云图上圈定扫描范围，开始精扫。

⑤如果一站不足以扫描工点范围，可重复以上步骤，迁站继续扫描。

2数据处理

2.1点云数据处理

外业数据采集完成后，为了生成地形图，要对点云进行处理，Rigel VZ1000三维激光扫描仪数据处理采用RiScan Pro软件进行，处理流程如下。

(1)配准

①相对方式：该方式以某一扫描站的坐标系为基准，其他各站的坐标系统都转换到该站的坐标系统下，相对方式扫描时只需要在不同站之间共有3个以上同名标靶即可，不需要测量标靶的绝对坐标，统一后的坐标是在某一扫描站坐标系统下的坐标。但如果连续传递的站数较多，则容易产生较大的传递误差。

②绝对方式，它是一种将扫描仪和常规测量相结合的方式，每站的标靶坐标通过全站仪或其他仪器精确测量，直接获得标靶的绝对坐标(如工程坐标系中的坐标)。配准时，各测站都直接转换到统一的绝对坐标系中，不存在多站坐标转换的传递误差，整体精度均匀。在地形测绘当中一般采用绝对方式配准，也可以将两者结合起来使用。

(2)纹理映射

纹理映射通过RiScan Pro软件中的纹理映射功能实现。由固定在扫描仪上的数码相机所采集高分辨率相片获取纹理信息，并映射到点云上，实现点云赋色。为了实现高精度的纹理映射，需要在软件中输入厂家提供的相机内参数文件并交互选择3对以上的影像与点云的同名点。

2.2生成地形图

(1)提取地物特征

在配准好的点云数据中手工提取地物特征点、线，如房屋轮廓线、道路点等。地物特征提取可以利用RiScan Pro软件中的矢量绘制功能。该功能可以在点云中勾勒出矢量并导出为CAD格式数据，将CAD格式数据导入到大比例尺测图软件中编辑绘制地物。

(2)生成等高线

三维激光扫描技术是对整个测区空间信息的扫描，包含了地表的所有信息。地形表面的树木植被及地物的存在会影响等高线的自动生成，在生成等高线前需要将非地貌部分的点云数据剔除。剔除后得到的地貌数据对于地形测绘来讲其点位太密，且分布不均匀。因此，一般将剔除非地貌因素后的点云数据按地形测绘要求的密度进行抽稀。最后将数据导入到大比例尺数字测图软件中，自动生成等高线。

(3)编辑地形图

将地物图形与等高线图形进行叠加和编辑，这时需要对像片及点云数据手动进行修改。最后加上高程注记，生成图廓并进行局部整饰。

3应用实例

温州市域铁路S2线位于温州沿海交通走廊内，北起乐清虹桥镇，向南至乐成新区，于瓯江北口过江引人S1线灵昆站，跨瓯江南口至机场，沿滨海大道南行，终至莘阳大道，线路长约68.8 km，其中隧道和地下线长约11.1 km。在本项目的定测阶段，各个工地采用GPS-RTK技术测制了1∶500工点地形图。但乐成隧道出口山势陡峭，山坡上多碎石，其中相当一部分是悬崖，测绘人员无法到达，常规的测绘方法很难测制该工点地形图。因此，项目中引入地面三维激光扫描技术。

项目采用Rigel VZ1000三维激光扫描仪对隧道出口进行扫描，通过GPS-RTK技术建立局部控制网，利用无合作目标全站仪测量靶标坐标，半天即完成外业数据采集工作，获取了平均点间距为8 cm的彩色激光点云(如图1所示)。

图1　扫描得到的彩色激光点云

点云数据的处理采用RiScan Pro软件进行，通过CASS软件生成1∶500地形图。根据测区的特点和周围环境确定扫描站及标靶，然后经过数据配准、地物绘制、非地貌数据剔除、等高线自动生成、地形图编辑等，生成最终的工点地形图，整个内业数据处理时间为2 d(如图2)。

图2　基于地面激光点云生成的工点地形

采用全站仪实地采集5个地物特征点和20个地貌散点，工点地形图的平面和高程中误差如表2所示。

表2　工点地形图精度统计

从表2中可以看出，该工点地形图满足《铁路工程测量规范》(TB10101—2009)中平面0.8 m，高程0.33 m的限差要求。

4结论

以Rigel VZ1000三维激光扫描仪为例，系统研究基于地面激光扫描技术测绘铁路1∶500工点地形图的数据采集与数据处理方法。工程实践应用表明，本文方法在保证测量人员安全的情况下，可降低外业工作强度，提高工作效率，其成果满足铁路定测1∶500工点地形图的精度要求。

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收稿日期：2016-03-08

文章编号：1672-7479(2016)03-0013-03

中图分类号：P225；P231.5

文献标识码：B

Topographic Mapping Method of Railway Construction Site Based on Ground Three-dimensional Laser Scanning

XIA Xuchuan