李海亮

1中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢，430063

丘陵、山區(qū)占我國總國土面積的65%，因此山區(qū)鐵路眾多，山區(qū)鐵路因地形、地質(zhì)復(fù)雜，給勘察設(shè)計(jì)帶來許多困難［1］。其中，困難復(fù)雜工點(diǎn)（隧道口、橋址等）勘察是鐵路工程建設(shè)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對(duì)鐵路建設(shè)和運(yùn)維意義重大［2］。

目前工點(diǎn)勘察主要依靠全站儀、GPS等常規(guī)測(cè)繪方法人工實(shí)地完成，但很多鐵路工點(diǎn)環(huán)境險(xiǎn)峻，采用常規(guī)方法工作效率低、安全風(fēng)險(xiǎn)大、開展困難，存在很大的限制［3］；文獻(xiàn)［4］分析了遙感技術(shù)在鐵路新線勘測(cè)中的作用；文獻(xiàn)［5］將無人機(jī)三維影像技術(shù)應(yīng)用于鐵路勘察中，有效提高了勘察效率；張逆進(jìn)［6］利用傾斜攝影技術(shù)建立工點(diǎn)三維模型，提高勘測(cè)效率；鄭史芳等［7］利用傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警，能有效減少人工實(shí)地勘察的工作量，提高勘察效率；文獻(xiàn)［8］將傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害研究中，傳統(tǒng)方法容易出現(xiàn)視覺誤差和死角，難以全面對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行判斷，而傾斜攝影可以從多個(gè)角度進(jìn)行觀察，進(jìn)行定量分析。激光雷達(dá)作為一種新型的非接觸主動(dòng)測(cè)量設(shè)備，可以快速獲取被測(cè)目標(biāo)的三維點(diǎn)云模型，對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查具有很好的效果［9］；同時(shí)基于點(diǎn)云模型可以準(zhǔn)確地測(cè)繪地形圖和斷面［10］。文獻(xiàn)［11］利用Google Earth衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行鐵路勘察設(shè)計(jì)，為鐵路選線設(shè)計(jì)提供了一種便捷方法；文獻(xiàn)［12］利用無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行大高差鐵路工程施工測(cè)量，提高測(cè)量效率和質(zhì)量；文獻(xiàn)［13］利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行危巖落實(shí)勘測(cè)，能有效提取危巖落實(shí)區(qū)的地質(zhì)信息，進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)估。

傾斜攝影和地面激光雷達(dá)技術(shù)雖然廣泛應(yīng)用于鐵路勘察中，但仍存在一定的局限性。傾斜攝影對(duì)近地區(qū)域及遮擋區(qū)域勘察能力弱，精度不高。地面LiDAR能快速獲取近地區(qū)域及遮擋區(qū)域的高精度點(diǎn)云，同時(shí)能生產(chǎn)高精度地形圖及斷面圖，但地面激光雷達(dá)在高空區(qū)域勘察能力弱，效率不高。針對(duì)兩種技術(shù)的特點(diǎn)，本文提出了一種結(jié)合傾斜攝影與地面激光雷達(dá)技術(shù)的精細(xì)工點(diǎn)勘察方法，實(shí)現(xiàn)兩種先進(jìn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，能有效提高鐵路工點(diǎn)勘察的自動(dòng)化程度，具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和社會(huì)效益。

1 工點(diǎn)勘察方法與流程

1.1 鐵路工點(diǎn)勘察方法

鐵路工點(diǎn)勘察有別于一般的測(cè)繪工作，不僅要精確的測(cè)繪地形圖和斷面（高程精度要求優(yōu)于0.175 m），同時(shí)還要能夠準(zhǔn)確還原工程現(xiàn)場(chǎng)，為工程精細(xì)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

傾斜攝影技術(shù)是利用傾斜航空相機(jī)獲取地物信息的一種新型航空攝影方式，該技術(shù)通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，獲取垂直、側(cè)視等不同的角度的紋理數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)化三維建模，還原現(xiàn)實(shí)世界，為設(shè)計(jì)師沉浸式設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

激光雷達(dá)作為一種新型的獲取目標(biāo)三維信息的設(shè)備，正逐漸應(yīng)用于我國基礎(chǔ)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域。其中，地面激光雷達(dá)技術(shù)由于使用靜態(tài)平臺(tái)、便于攜帶而具有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。地面激光雷達(dá)技術(shù)可以快速獲取被測(cè)目標(biāo)的三維點(diǎn)云模型，該技術(shù)通過穿透植被可以獲取高精度的地形數(shù)據(jù)，從而準(zhǔn)確計(jì)算工程數(shù)量。

傾斜攝影技術(shù)和地面激光雷達(dá)技術(shù)都是以建立三維模型為目標(biāo)，兩者相比較，傾斜攝影技術(shù)在模型的真實(shí)感方面具有優(yōu)勢(shì)，基于傾斜攝影建立的模型可以進(jìn)行高質(zhì)量的解譯；地面激光雷達(dá)在模型的精度上占優(yōu)，基于地面激光雷達(dá)建立的模型可以進(jìn)行高精度的測(cè)繪。結(jié)合傾斜攝影和地面激光雷達(dá)技術(shù)，正是將兩種技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，既可精確地提供定量設(shè)計(jì)所需的高精度地形數(shù)據(jù)，又可逼真地還原工程設(shè)計(jì)所需的工程現(xiàn)場(chǎng)。

1.2 鐵路工點(diǎn)勘察流程

1）外業(yè)數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理。利用無人機(jī)及地面LiDAR獲取工點(diǎn)傾斜影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、配準(zhǔn)、賦色等工作。對(duì)配準(zhǔn)后的點(diǎn)云進(jìn)行分類，將激光點(diǎn)云分為初始點(diǎn)類、地面點(diǎn)類、植被類、人工構(gòu)造物類和其他類5個(gè)類別。

2）結(jié)合傾斜攝影與地面LiDAR的三維建模。利用傾斜影像，POS數(shù)據(jù)、人工控制點(diǎn)以及激光點(diǎn)云生成的控制點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)空中三角測(cè)量，加密控制點(diǎn)。根據(jù)高精度的影像匹配算法，自動(dòng)匹配出所有影像中的同名點(diǎn)，并從影像中抽取更多的特征點(diǎn)構(gòu)成密集點(diǎn)云，從而更精確地表達(dá)地物的細(xì)節(jié)。將攝區(qū)分割成多個(gè)模型小塊進(jìn)行處理，對(duì)每個(gè)區(qū)塊內(nèi)模型精細(xì)構(gòu)網(wǎng)，生成白模；從影像中計(jì)算對(duì)應(yīng)的紋理，并自動(dòng)將紋理映射到對(duì)應(yīng)的白模上，形成真實(shí)三維場(chǎng)景。對(duì)遮擋區(qū)域及異形結(jié)構(gòu)，利用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型重建；與傾斜攝影建立的模型進(jìn)行集成，建立工點(diǎn)的真三維模型。

3）危巖落石解譯及因子提取?；趯?shí)景三維模型建立危巖落石、節(jié)理裂隙構(gòu)造、地層巖性等遙感解譯標(biāo)志，提取危巖落石類型、空間位置、規(guī)模大小、滾動(dòng)方向等信息。

基于實(shí)景三維模型提取幾何參數(shù)因子及目標(biāo)區(qū)的危巖落石條件因子。幾何參數(shù)因子主要包括邊坡高度、相對(duì)高差、危巖落石尺寸（直徑大小）、坡度、坡向等；條件因子主要為危巖落石體積、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、節(jié)理裂隙組合情況、巖體破碎程度、風(fēng)化侵蝕情況等。最后針對(duì)解譯及因子提取結(jié)果給予處置措施。

4）工點(diǎn)地形圖生成。首先利用真三維模型量測(cè)地物點(diǎn)，對(duì)于遮擋區(qū)域，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取測(cè)區(qū)地物點(diǎn)；以分類后的地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成等高線、加密高程點(diǎn)，獲取地貌信息。將等高線、高程點(diǎn)和地物矢量導(dǎo)入到大比例尺測(cè)圖軟件中進(jìn)行編繪、整飾，形成最終的工點(diǎn)地形圖。

5）危巖斷面生成。根據(jù)危巖落石區(qū)域解譯結(jié)果，利用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)提取危巖落石處設(shè)計(jì)所需的橫斷面，并將危巖落石信息標(biāo)注在橫斷面線上。

2 工程實(shí)例應(yīng)用

2.1 工程概況

衢寧鐵路是典型的山區(qū)鐵路，橋隧眾多，隧道口及橋臺(tái)處常常存在眾多危巖落石，給鐵路的施工和后期運(yùn)營帶來了很大的隱患。地面激光雷達(dá)技術(shù)和無人機(jī)技術(shù)是近年來出現(xiàn)的新技術(shù)，結(jié)合兩種技術(shù)可大面積、高分辨率快速獲取工點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)，為危巖落石調(diào)查和整治提供了一種全新的技術(shù)手段。

2.2 作業(yè)流程

1）數(shù)據(jù)預(yù)處理。獲取工點(diǎn)傾斜影像數(shù)據(jù)以及地面激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，利用反射標(biāo)靶將激光點(diǎn)云配準(zhǔn)到統(tǒng)一的工程坐標(biāo)系下，進(jìn)行并利用影像數(shù)據(jù)對(duì)原始點(diǎn)云賦色，并對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行分類。如圖1所示，圖1（a）為原始點(diǎn)云強(qiáng)度圖；圖1（b）為工點(diǎn)對(duì)應(yīng)的傾斜影像數(shù)據(jù)；圖1（c）為賦予顏色之后的點(diǎn)云。

圖1 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)成果Fig.1 LiDAR Data Achievements

2）工點(diǎn)真三維模型重建。利用人工設(shè)置的地面控制點(diǎn)以及激光點(diǎn)云生成的控制點(diǎn)對(duì)傾斜影像進(jìn)行定位定姿，并利用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)遮擋區(qū)域及異形結(jié)構(gòu)的三維重建，與傾斜影像建立的實(shí)景模型融合，建立測(cè)區(qū)真三維模型。如圖2所示，圖2（a）為人工布設(shè)的地面控制點(diǎn)，結(jié)合激光點(diǎn)云生成的控制點(diǎn)即可對(duì)傾斜影像進(jìn)行三維重建；圖2（b）為建立的測(cè)區(qū)真三維模型，模型具有精度高、逼真等優(yōu)點(diǎn)，真實(shí)還原了工程現(xiàn)場(chǎng)，為困難復(fù)雜工點(diǎn)勘察設(shè)計(jì)提供了最優(yōu)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖2 地面控制點(diǎn)及工點(diǎn)三維實(shí)景模型Fig.2 3D Real Scene Model of Construction Site

3）危巖落石解譯。根據(jù)危巖落石的色調(diào)、紋理、亮度等通用遙感機(jī)理特征，在實(shí)景三維模型中進(jìn)行危巖落石信息的提取，包括人工或人機(jī)交互式信息提取，確定其分布范圍、規(guī)模大小、空間形態(tài)和位置。如圖3所示，在三維模型上對(duì)危巖裂縫進(jìn)行解譯，并對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行分類編號(hào)，解譯結(jié)果共分為裂縫和危巖兩大類，有效查明了危巖體、節(jié)理裂隙的發(fā)育趨勢(shì)、分布狀況及其空間形態(tài)和空間位置，為邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)提供了詳細(xì)的地質(zhì)資料。

圖3 危巖落石解譯Fig.3 Identification of Dangerous Rock Falling

4）工點(diǎn)地形圖及斷面生成。利用分類后的地面點(diǎn)云生成DEM（digital elevation model），獲取地貌信息。對(duì)三維模型進(jìn)行地物量測(cè)，同時(shí)利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取遮擋區(qū)域地物信息。將地貌信息和地物點(diǎn)導(dǎo)入到Cass成圖軟件中編繪整飾，生成高精度的大比例尺工點(diǎn)地形圖，如圖4（a）所示。利用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)提取危巖落石處置設(shè)計(jì)所需的橫斷面，如圖4（b）所示，并將危巖落石信息標(biāo)注在地形圖及橫斷面線上。

圖4 工點(diǎn)地形圖及斷面結(jié)果Fig.4 Topographic Map and Section Results of Construction Site

2.3 效益分析

1）精度高。在工程現(xiàn)場(chǎng)采用GPS-RTK（realtime kinematic）測(cè)量了6個(gè)平面檢查點(diǎn)，30個(gè)高程檢查點(diǎn)，經(jīng)檢測(cè)地面激光雷達(dá)平面精度為0.09 m，高程精度為0.15 m，傾斜攝影平面精度為0.08 m，裸露處高程精度為0.11 m，完全滿足鐵路工點(diǎn)勘察的精度要求。

2）效率高。結(jié)合傾斜攝影與地面LiDAR的工點(diǎn)勘察方法相比于傳統(tǒng)方法，效率提高10倍以上。

3）信息量豐富，可回溯性強(qiáng)。該方法完美結(jié)合了傾斜攝影與地面LiDAR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可一次性獲取工點(diǎn)的全息三維數(shù)據(jù)，信息量非常豐富，可隨時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回溯。

4）安全性好。采用該方法無需調(diào)查人員攀爬陡峭的山坡，保證了調(diào)查人員的人身安全，同時(shí)對(duì)于運(yùn)營的鐵路線也可安全調(diào)查。

3 結(jié)束語

在現(xiàn)有鐵路勘察方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于遙感技術(shù)的精細(xì)工點(diǎn)勘察方法，該方法在山區(qū)、城市復(fù)雜場(chǎng)景、既有線路等復(fù)雜工點(diǎn)具有很好的勘察效果，勘察成果能為工程設(shè)計(jì)提供完備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，極大地提高了工點(diǎn)勘察的效率和質(zhì)量，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)勘察方法的不足。該方法技術(shù)體系先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益顯著，對(duì)我國的鐵路建設(shè)以及鐵路運(yùn)營維護(hù)能力的發(fā)展具有促進(jìn)意義，同時(shí)對(duì)公路等其他領(lǐng)域勘察技術(shù)的發(fā)展具有借鑒意義。