車載LiDAR技術(shù)在鐵路復(fù)測中的應(yīng)用研究

劉向陽??

摘要：隨著我國鐵路交通建設(shè)的高速發(fā)展，鐵路運行速度和頻率越來越高，這就對鐵路的運營安全提出了更高的要求。因此我們要經(jīng)常對鐵路進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和復(fù)測。復(fù)測的工作量大大提升，由于傳統(tǒng)復(fù)測安全性差作業(yè)效率低已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在鐵路復(fù)測要求。故迫切需要一種高效、安全、準(zhǔn)確的作業(yè)方法。

關(guān)鍵詞：車載LiDAR；數(shù)據(jù)獲??；控制網(wǎng)；數(shù)據(jù)處理

1 車載LiDAR測量系統(tǒng)

激光雷達(dá)系統(tǒng)（LiDAR，即Light Laser Detection and Ranging），是激光探測及測距系統(tǒng)的簡稱，是一種集激光、全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）于一身的系統(tǒng)。結(jié)合激光器的高度及掃描角度，從GPS獲得的激光器的位置以及從INS獲得的激光發(fā)射方向，便可準(zhǔn)確計算出每一個地面光斑的空間坐標(biāo)，從而獲取被測物體的三維表面形態(tài)。車載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)則是將三維激光掃描系統(tǒng)加裝在交通運輸平臺上進(jìn)行激光雷達(dá)掃描作業(yè)，獲取車輛行駛路線兩側(cè)的三維信息。

2 研究的技術(shù)路線與掃描方案及實施

由于鐵路沿線地形復(fù)雜在某些地方LiDAR測量系統(tǒng)將接收不到GPS信號，各種電子設(shè)備也有會干擾IMU的工作，這樣就造成GPS信號和IMU數(shù)據(jù)異常。因此在很大程度上降低了POS解算精度。在POS數(shù)據(jù)丟失的區(qū)域應(yīng)布設(shè)靶標(biāo)對POS解算數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正提高點云的精度。再掃描過程中應(yīng)在鐵路附近架設(shè)基準(zhǔn)站，使得車載GPS能接受到從基準(zhǔn)站發(fā)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行差分和POS解算。

任何測量都會產(chǎn)生誤差，車載LiDAR測量系統(tǒng)也不例外。車載LiDAR測量系統(tǒng)的主要誤差來源有：測量過程中產(chǎn)生的誤差、定位誤差、激光測距誤差測角誤差、系統(tǒng)集成誤差、數(shù)據(jù)處理誤差、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換誤差。這些誤差在測量過程中對精度影響很大，因此需要在掃描數(shù)據(jù)的處理過程中，使用靶標(biāo)消除這些誤差。標(biāo)靶的布設(shè)要注意靶標(biāo)大小、布設(shè)的位置、密度、精度等級。我們可以根據(jù)運行速度、使用的儀器等來確定掃描頻率、掃描角度、掃描帶寬、影像曝光時間等。

3 基準(zhǔn)控制網(wǎng)和標(biāo)靶控制網(wǎng)的建立

根據(jù)車載激光LiDAR掃描系統(tǒng)測量的技術(shù)特點和鐵路復(fù)測的精度要求，要獲得高質(zhì)量的鐵路平縱斷面參數(shù)，必須建立基準(zhǔn)站控制網(wǎng)和靶標(biāo)控制網(wǎng)，并在鐵路掃描測量之前完成控制網(wǎng)的測量工作。

3.1 基準(zhǔn)站控制網(wǎng)

基準(zhǔn)站的平面測量精度要求，點間距大于1km小于4km時，按鐵路GPS二等精度等級的要求測量基準(zhǔn)站控制網(wǎng)CPI ，最弱邊相對中誤差應(yīng)小于規(guī)范要求的1/100000。點間距在400800m時，按高速鐵路三等GPS測量的要求布設(shè)地面（或基站）控制網(wǎng)CPII基準(zhǔn)站的高程測量CPI/CPII高程精度為線下二等水準(zhǔn)測量。

3.2 靶標(biāo)控制網(wǎng)

根據(jù)鐵路的平縱斷面參數(shù)、沿線隧道、橋梁、路堤、路塹及鐵路沿線的高山陡壁、植被對衛(wèi)星信號的遮擋情況，沿鐵路線兩側(cè)布設(shè)靶標(biāo)控制點。在視野開闊、鐵路平順、GPS信號強(qiáng)的的地段，靶標(biāo)可布設(shè)的稀一些，盡量布設(shè)在鐵路平面高程變化大的地方，如曲線地段的直緩點、曲線中點、圓緩點、緩直點及坡道地段的坡度起點、坡度終點等。

4 點云數(shù)據(jù)處理

在進(jìn)行了控制網(wǎng)測量及線路掃描之后，需要獲得具有絕對坐標(biāo)的三維點云數(shù)據(jù)。首先需要對IMU/GNSS 數(shù)據(jù)進(jìn)行POS差分解算得到精確的列車行駛軌跡和姿態(tài)，然后將激光掃描儀測量的掃描儀坐標(biāo)系下的點云數(shù)據(jù)與處理后的POS數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到物體WGS84坐標(biāo)系下的三維激光坐標(biāo)點。

4.1 點云分類

使用軟件采用垂直鋼軌拉剖面，移動端面，按高程信息分類的方法分類出正線軌頂面點及內(nèi)軌面點。將平面距離粗略軌面線3 cm 內(nèi)，高程1 cm 的備選激光點提取出來。通過對分類數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合解算出中心線信息，為后續(xù)提取線路復(fù)測要素提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4.2 鐵路附屬設(shè)施提取

參考影像數(shù)據(jù)和外業(yè)調(diào)繪在點云數(shù)據(jù)中對鐵路設(shè)施進(jìn)行識別，使用TerraSolid軟件的Tscan模塊根據(jù)點云數(shù)據(jù)進(jìn)行軌道附屬設(shè)施三維坐標(biāo)的采集。如采集岔尖、信號機(jī)、牽引電力線桿架、平交道、各種鐵路橋、隧道、涵洞中心坐標(biāo)，量測橫跨鐵路的各種橋梁、電力線、人行天橋等要素的凈高等。

4.3 繪制斷面線

根據(jù)線路總體組提供的鐵路中線及斷面里程，按斷面的要求寬度，在鐵路中線上繪制斷面線。使用小程序交互制作斷面線。

1）打開AutoCAD2007，加載線路中線文件（*.dwg格式或其它AutoCAD可以打開的格式）。將線路中線按需要分成若干段。

2）加載繪制斷面線的程序 DrawTransect.dll：在AutoCAD的命令欄輸入“netload”，然后選擇程序所在的目錄，并選擇“DrawTransect.dll”文件。

3）運行“dmx”命令生成斷面線：在AutoCAD的命令欄輸入“dmx”運行命令，然后根據(jù)命令的提示選擇一段線路中線，輸入斷面到這段中線起點的距離，最后輸入要繪制的斷面線在中線一側(cè)的長度，完成斷面的繪制。一次只能生成一個斷面，直到所有的斷面線繪制完畢。例如中線起點里程K100+200，斷面中樁里程K100+250，斷面寬度100，斷面到中線起點的距離為50，斷面線在中線一側(cè)的長度等于50。

5 結(jié)語

車載激光雷達(dá)作為一種先進(jìn)的數(shù)據(jù)獲取手段已受到關(guān)注，其數(shù)據(jù)能夠更加直觀、快速的展現(xiàn)和分析鐵路線路情況，是鐵路復(fù)測的一種先進(jìn)有效的手段，是實現(xiàn)鐵路復(fù)測技術(shù)現(xiàn)代化的重要內(nèi)容之一，完善了鐵路運行維護(hù)測量體系，為列車運行安全提供有力的依據(jù)，為我國鐵路提供安全運營保證，在今后的工作中，應(yīng)大力推廣、普遍應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：劉向陽（1990），男，漢族，河南?？h人，碩士。