車載LiDAR技術在鐵路復測中的應用研究

劉向陽??

摘要：隨著我國鐵路交通建設的高速發展，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。因此我們要經常對鐵路進行養護和復測。復測的工作量大大提升，由于傳統復測安全性差作業效率低已經不能滿足現在鐵路復測要求。故迫切需要一種高效、安全、準確的作業方法。

關鍵詞：車載LiDAR；數據獲取；控制網；數據處理

1 車載LiDAR測量系統

激光雷達系統（LiDAR，即Light Laser Detection and Ranging），是激光探測及測距系統的簡稱，是一種集激光、全球定位系統（GPS）和慣性導航系統（INS）于一身的系統。結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獲得的激光發射方向，便可準確計算出每一個地面光斑的空間坐標，從而獲取被測物體的三維表面形態。車載激光雷達測量系統則是將三維激光掃描系統加裝在交通運輸平臺上進行激光雷達掃描作業，獲取車輛行駛路線兩側的三維信息。

2 研究的技術路線與掃描方案及實施

由于鐵路沿線地形復雜在某些地方LiDAR測量系統將接收不到GPS信號，各種電子設備也有會干擾IMU的工作，這樣就造成GPS信號和IMU數據異常。因此在很大程度上降低了POS解算精度。在POS數據丟失的區域應布設靶標對POS解算數據進行糾正提高點云的精度。再掃描過程中應在鐵路附近架設基準站，使得車載GPS能接受到從基準站發出的數據進行差分和POS解算。

任何測量都會產生誤差，車載LiDAR測量系統也不例外。車載LiDAR測量系統的主要誤差來源有：測量過程中產生的誤差、定位誤差、激光測距誤差測角誤差、系統集成誤差、數據處理誤差、坐標系轉換誤差。這些誤差在測量過程中對精度影響很大，因此需要在掃描數據的處理過程中，使用靶標消除這些誤差。標靶的布設要注意靶標大小、布設的位置、密度、精度等級。我們可以根據運行速度、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 基準控制網和標靶控制網的建立

根據車載激光LiDAR掃描系統測量的技術特點和鐵路復測的精度要求，要獲得高質量的鐵路平縱斷面參數，必須建立基準站控制網和靶標控制網，并在鐵路掃描測量之前完成控制網的測量工作。

3.1 基準站控制網

基準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站控制網CPI ，最弱邊相對中誤差應小于規范要求的1/100000。點間距在400800m時，按高速鐵路三等GPS測量的要求布設地面（或基站）控制網CPII基準站的高程測量CPI/CPII高程精度為線下二等水準測量。

3.2 靶標控制網

根據鐵路的平縱斷面參數、沿線隧道、橋梁、路堤、路塹及鐵路沿線的高山陡壁、植被對衛星信號的遮擋情況，沿鐵路線兩側布設靶標控制點。在視野開闊、鐵路平順、GPS信號強的的地段，靶標可布設的稀一些，盡量布設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 點云數據處理

在進行了控制網測量及線路掃描之后，需要獲得具有絕對坐標的三維點云數據。首先需要對IMU/GNSS 數據進行POS差分解算得到精確的列車行駛軌跡和姿態，然后將激光掃描儀測量的掃描儀坐標系下的點云數據與處理后的POS數據進行融合，通過坐標轉換得到物體WGS84坐標系下的三維激光坐標點。

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軌面點。將平面距離粗略軌面線3 cm 內，高程1 cm 的備選激光點提取出來。通過對分類數據進行擬合解算出中心線信息，為后續提取線路復測要素提供數據基礎。

4.2 鐵路附屬設施提取

參考影像數據和外業調繪在點云數據中對鐵路設施進行識別，使用TerraSolid軟件的Tscan模塊根據點云數據進行軌道附屬設施三維坐標的采集。如采集岔尖、信號機、牽引電力線桿架、平交道、各種鐵路橋、隧道、涵洞中心坐標，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，斷面線在中線一側的長度等于50。

5 結語

車載激光雷達作為一種先進的數據獲取手段已受到關注，其數據能夠更加直觀、快速的展現和分析鐵路線路情況，是鐵路復測的一種先進有效的手段，是實現鐵路復測技術現代化的重要內容之一，完善了鐵路運行維護測量體系，為列車運行安全提供有力的依據，為我國鐵路提供安全運營保證，在今后的工作中，應大力推廣、普遍應用。

參考文獻：

[1]王曉凱.車載激光雷達在鐵路復測中的應用探討[J].鐵道建筑，2013（2）：8183.

[2]張江，鄭曉輝.鐵路既有線復測方法探討[J].鐵道勘察，2005（2）：1516.

[3]TB106012009，高速鐵路工程測量規范[S].

作者簡介：劉向陽（1990），男，漢族，河南浚縣人，碩士。