高精度机载激光雷达技术在埃塞俄比亚铁路测绘中的应用.pdf

・工程测量・高精度机载激光雷达技术在埃塞俄比亚铁路测绘中的应用林扬波（中土集团福州勘察设计研究院有限公司福建福州３５００１３）摘要针对埃塞俄比亚德里达瓦一达瓦利铁路项目，结合测区环境及设计要求，采用了区别于传统测绘方式的高精度机栽激光雷达技术，消除了基础测绘资料匮乏、气候、交通、安全等不利因素的影响。介绍了整个应用过程、机栽激光雷达技术与传统测绘技术的比较情况和地形图、横断面等测绘成果的精度、质量分析，并就项目特．最作了简要阐述。关键词激光雷达测绘点云批量生产埃塞俄比亚中图分类号Ｕ２１２．２；ＴＮ９５８．９８文献标识码Ｂ———文章编号１００９４５３９（２０１６）０１００８５０５ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＨｉｇｈＰｒｅｃｉｓｉｏｎＡｉｒｂｏｒｎｅＬＩＤＡＲ（ＬｉｇｈｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＲａｎｇｉｎｇ）ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎＥｔｈｉｏｐｉａｎＲａｉｌｗａｙＳｕｒｖｅｙｉｎｇａｎｄＭａｐｐｉｎｇＬｉｎＹａｎｇｂｏ（ＣＣＥＣＣＦｕｚｈｏｕＳｕｒｖｅｙａｎｄＤｅｓｉｇｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏ．Ｌｔｄ．，ＦｕｚｈｏｕＦｕｊｉａｎ３５００１３，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＣｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｒｅｇｉｏｎａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｔｈｅｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｉｒｂｏｒｎｅＬＩＤＡＲｓｕｒｖｅｙｉｎｇａｎｄｍａｐｐｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｈｉｃｈｉｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒｏｍｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｓｕｒｖｅｙｉｎｇａｎｄｍａｐｐｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓａｄｏｐｔｅｄｉｎＥｔｈｉｏｐｉａＤｉｒｅＤａｗａｔｏＤａｗａｎｌｅＲａｉｌｗａｙＰｒｏｊｅｃｔ，ｉｔｃａｎｅｌｉｍｉｎａｔｅｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｔｈｅｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔｂａｓｉｃｓｕｒｖｅｙｉｎｇａｎｄｍａｐｐｉｎｇｄａｔａ，ｃｌｉｍａｔｅｃｏｎｄｉ・ｔｉｏｎ，ｔｒａｆｆｉｃｉｎｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅ，ｉｎｓｅｃｕｒｉｔｙａｎｄｏｔｈｅｒａｄｖｅｒｓｅｆａｃｔｏｒｓ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｉｔｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｗｈｏｌｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎａｉｒｂｏｒｎｅＬＩＤＡＲｓｕｒｖｅｙｉｎｇａｎｄｍａｐｐｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｓｕｒｖｅｙｉｎｇａｎｄｍａｐｐｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｑｕａｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃｍａｐａｎｄＣｒｏＳＳｓｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄｍａｋｅｓａｂｒｉｅｆｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｐｒｏｊｅｅｔ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＬｉｇｈｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＲａｎｇｉｎｇ；ｓｕｒｖｅｙｉｎｇａｎｄｍａｐｐｉｎｇ；ｐｏｉｎｔｃｌｏｕｄ；ｂａｔｃｈｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ；Ｅｔｈｉｏｐｉａ，项目概况糍嚣曩筹嵩嚣鬟备萎埃塞俄比亚一吉布提铁路项目是海外首次采经济、提高当地人民生活水平、加强埃塞俄比亚与用全套中国技术标准修建的电气化铁路，也是中国吉布提的联系、促进区域共同发展具有重要意义，在两国承建的最大铁路项目。该条铁路西起埃塞更是为中国铁路走向海外展现了高效率、高质量、俄比亚首都亚的斯亚贝巴，东至吉布提首都吉布提低成本的建设水平迈出了关键一步。市，线路全长７４０ｋｍ，采用中国ＩＩ级电气化铁路标德里达瓦（ＤｉｒｅＤａｗａ）一达瓦利（Ｄａｗａｎｌｅ）铁路是埃塞俄比亚一吉布提铁路位于埃塞俄比亚境内——收稿日期：２０１５１１０９的其中一段，长２０４．７ｋｍ。该段铁路西端与Ｓｅｂｅｔａ．‘［２０１莠２繁５７驽亨国土木工程集团有限公司科技研发项目中土科合…Ｍｉｅｓｏ段铁路相接至埃塞俄比亚首都亚的斯亚贝『１第号）恢饫跆硼谈芏埂＿器１我比业自邵业刚册业贝铁道建篱技术ＦｂｇｌＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（ＯｌＪ８５万方数据・工程测量・万方数据・工程测量・●一＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿－＿＿＿＿＿Ｉ＿ｌｌ＿＿＿ｌ＿＿＿＿＿Ｉｌ＿Ｉ＿ｌ＿＿＿＿＿ｌ＿一的信息制定飞行计划，设计和选择飞行路线。采用固定翼有人驾驶飞行平台机型、ＬｉｔｅＭａｐｐｅｒ５６００机载激光雷达测量系统（见图３），配备ＤｉｇｉＣＡＭ－Ｉ－Ｉ／３９数码相机（见图４）。其中ＬｉｔｅＭａｐｐｅｒ５６００机载激光雷达设备具备多脉冲模式，多回波等功能，ＰＯＳ系统为ＡＥＲＯｃｏｎｔｒｏｌ，最大扫描角为６００，激光点云采样间隔０．５ｍ，影像地面分辨率０．１Ｉｎ。毋，：翟Ｉ图３ＬｉｔｅＭａｐｐｅｒ５６００设备图４—ＤｉｇｉＣＡＭＨ／３９数码相机经过航线设计、检校场布设、基站布设、偏心分量测量、ＧＰＳ和ＩＭＵ联合平差、ＬＩＤＡＲ检校、ＷＧＳ８４坐标系统到施工坐标系统的转换、ＬＩＤＡＲ点云数据分块、ＬＩＤＡＲ点云数据的批处理滤波分类和精细分类，最终完成地形图及横断面等成果资料的生产工作。３机载激光雷达技术优势目前，铁路勘测设计基础数据的获取方式主要是传统的摄影测量及现场实测。比较之下，机载激光雷达技术具有其独特的优势：（１）全天候数据获取作为新型主动遥感设备，ＬＩＤＡＲ数据获取采用自身能源发射脉冲，不受太阳高度角、能见度等外界因素影响，可全天候作业。而传统航空摄影测量由于采用被动遥感，无法在特定时段作业。（２）地面控制简便ＬＩＤＡＲ航拍，地面控制点要求少。而传统航空摄影测量需配合大量选、刺点工作完成空三加密，且常受到地物辨识度低、天气、测量精度等因素的钐｝道建麓技术ＲＡ『ＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ影响，地面控制繁琐Ｍ１。（３）直接获取ＤＥＭ与ＤＳＭ由于激光脉冲回波的多值性，可同时量测地面和非地面信息。通过滤波与分类处理，可直接获取测区数字高程模型（ＤＥＭ）与数字表面模型（ＤＳＭ）。传统摄影测量方法获取测区地形数据，主要是基于立体像对提取，对于不同天气、不同时相条件下的立体像对，地形数据的质量、效率和可靠性得不到有效保障ｂ１。（４）数据处理快速、精度质量高ＬＩＤＡＲ数据获取后，采用配套数据处理软件便可获得生产成果。同时，由于点云密度远大于传统地面测量，数据精度远高于传统测量方法。（５）断面数据采集的高效率及准确性本项目线位影响范围地形较为平缓，地表植被稀少，地形变化小，很大程度上减少了激光雷达点云滤波对精度的影响及激光点云不连续性产生的影响。由此得到的断面数据准确度高，且通过批量数据处理，可高效率的获得全线的路基横断面及涵轴断面数据。４主要成果精度分析４．１１：１０００地形图成果本次机载激光雷达航拍绘制的１：ｌ０００地形图，基本等高距为１ｍ，参考国家标准《１：５００ｌ：ｌ０００１：２№０００地形图航空摄影测量内业规范》Ｊ（ＧＢ／Ｔ—７９３０２００８）有关１：１０００地形图等高线及地物点检查标准，平面与高程中误差限差如表１、２所示。表１平面位置中误差限差ｍｍ类别平地、丘陵地图上地物点中误差０．６表２高程中误差限差ｍｌ：ｌ０００平地丘陵地等高线Ｏ．２５Ｏ．７现场选取代表性工点地形进行实测，与原数据进行比较。如图５所示。２０１６ｆＤ７Ｊ８７万方数据・工程测量・图５地形图根据实测地形数据资料与雷达航拍绘制的该并不影响整体测绘工期。部分地形比较，图上地物点最大中误差不超过…。．，０．３ｍｍ；等高线最大中误差不超过０．２５ｍｙ满足规５应用创新范要求。（１）在埃塞俄比亚乃至非洲国家铁路建设中首４・２断面成果次应用高精度机载激光雷达勘测技术。作为铁路勘测过程中最大工作量的路基横断面近年来，非洲国家的铁路建设正在加速发展，及涵轴断面测绘工作，断面的数据质量符合规范要求埃塞俄比亚更是启动了埃塞国家铁路网东西线、南是必要的前提条件。机载激光雷达技术主要缺点为北线的发展规划。就本项目埃塞俄比亚德里达激光点云的不连续性以及对地面覆盖植被的不强穿瓦一达瓦利铁路项目而言，合理、科学地选择了机透性¨。。激光点云的不连续性会造成地面突变点可载激光雷达勘测技术应用于该项目上，取得了很好能没有数据信息，从而忽略了该突变地面情况；对地的效果，为今后突破埃塞市场、支援非洲国家建设表植被的不强穿透性，在高密植被区域也会造成地面起到了良好的借鉴作用。点数据的不精确旧。。由于埃塞俄比亚德里达瓦一达（２）采用了自动滤波结合Ａ．ｑ－＿分类的方式进行瓦利铁路勘测区域整体地势较为平缓，除个别冲沟杂点云精细分类。乱地段外多为平缓平原或丘陵地带，且地表植被稀疏点云分类是对激光脚点打在何种地物上进行低矮，合理设置激光点云间隔和使用点云分类、点云区分。该技术为本项目雷达航飞数模成果的精确滤波技术可减化激光雷达的勘测缺陷。性起到了重要的作用。由于激光光斑大小、不同地根据《铁路工程摄影测量规范》一。（ＴＢ１００５０一物反射等因素的影响，ＬＩＤＡＲ数据处理系统可自动２０１０）断面点限差要求：分离多次回波中首次与中间的非地面回波点、突变距离限差±０．３ｍ；低点与高点，并对地面点进行分离¨０｜。但由于本项高差限差土０．３５ｍ。目存在冲沟及乱石地段，仅通过自动分类无法满足通过内业切绘断面与现场检测断面比较分析，工程的需要。因此，本项目采用自动分类结合断面在地形平缓地区，激光雷达点云数据切绘的横断面辅助滤波、正射影像图辅助滤波、立体模型辅助滤与现场实测断面吻合度较高，检测误差基本保持在波等手动分类方式，使最终的分类结果符合相关要１５ｅｍ以内。而在冲沟地区，激光雷达点云数据由求，满足生产的需要。于点云密度造成了一些地形突变点无激光数据，与（３）高精度断面的批量生产。现场实测断面存在误差偏大，检测误差在３０ｅｍ左在机载ＬＩＤＡＲ技术快速获得的高精度ＤＥＭ右，个别误差超限。由于勘测范围内地形平缓植被上，采用断面生成软件可高效率的批量生产出横纵稀少地区占绝大部分，而地形复杂、存在冲沟的地断面，极大地节约了人工成本，并为断面精度提供区只占了极少部分，对该部分断面进行实测处理，…了可靠保障１。８８铁道建笛技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（０１Ｊ万方数据・工程测量・其大致流程是首先从海量点云数据精细分类得到的ＤＥＭ中构建三角网，根据设计要求进行断面批量切绘。采用外业实测中桩高程对横断面零点高程进行检核，最终结合地物信息生成反映地形地物特征的断面成果¨２｜。（４）直接获取工点地形图。以机载激光雷达勘测方法绘制的１：１０００比例尺地形图，其精度与地面详细程度都有很大程度的提高。不仅满足初步设计及施工图设计的需要，在桥址平面图、站场平面图等各专业所需的工点地形图上，都能直接利用，为全线各工点地形图的测绘节省了大量的时间。６结论高精度机载激光雷达测绘技术的使用，使得本项目较传统测绘方式提前２个月完成测绘任务，减少了５０％的测绘成本支出，为设计阶段保证了时间，并为后续施工提前开展节省了上百万的待工费用。测量成果的精度性，为设计依据提供了可靠保证。由于大幅减少了外业工作量，避免了外业人员在荒漠、荆棘、危险地带（索马里族人居住区）等测区的作业危险问题。从根本上杜绝了人员伤亡和设备损坏事故的发生。“”当前中国高铁走出去面临着多国激烈竞争局势，降低成本、提高效率成为能否成功的重要因素，因此铁路建设勘测设计进度的改革势在必行，“”只有坚决执行快出图、出好图，才能更好地为后“期施工建设争取时间和保驾护航。随着中国一带”一路的外交蓝图加快中国走向海外的步伐以及中“”国与非洲三网一化战略目标的合作，高精度机载激光雷达测绘技术将继续以其独特的优势在各项路网建设中创造更多的经济与社会效益。参考文献［１］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）：２７３１．［２］黄华平，李永树．机载激光雷达测量技术在铁路勘测—中的应用［Ｊ］．测绘，２０１０（５）：２１６２１７，２２８．［３］中华人民共和国铁道部．ＴＢ—１０１０１２００９铁路工程测量规范［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００９．［４］蒋俊杰．高分辨率遥感卫星立体影像制作地形图在海外铁路勘测设计中的应用［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１５—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