liDAR技術(shù)在鐵路勘測中的研究和應(yīng)用

（中鐵第六勘察設(shè)計院 集團有限公司 天津300384）

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鐵路是交通的骨干，鐵路交通運輸是我國國民經(jīng)濟的命脈。在當今世界，無論是外國還是中國，鐵路網(wǎng)仍然是最重要的交通網(wǎng)絡(luò)。而在鐵路建設(shè)方面，鐵路勘測是一個宏觀到微觀，層層深入的過程，因此鐵路勘測任務(wù)非常重要。本文主要是介紹在鐵路勘測中l(wèi)iDAR技術(shù)，進一步研究liDAR技術(shù)以及其應(yīng)用。

liDAR技術(shù)鐵路勘測應(yīng)用

機載liDAR具有獲取數(shù)據(jù)快、對天氣條件要求低、數(shù)據(jù)精度高等優(yōu)勢，因此被越來越多地用于測繪生產(chǎn)中。機載激光雷達數(shù)據(jù)在鐵路勘測方面已被逐漸應(yīng)用。在植被覆蓋度低，地形平緩地區(qū)精度是非常高的，完全滿足斷面生產(chǎn)精度要求，而在植被茂密、地形突變的地區(qū)精度較差，但是通過提高點云數(shù)據(jù)密度，或者提高點云分類精度及加強濾波數(shù)據(jù)處理可以使斷面精度進一步提高。

1 LiDAR系統(tǒng)概述

機載LiDAR系統(tǒng)從功能上講由激光系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)和慣性測量單元3部分組成，后面兩部分負責準確地確定LiDAR系統(tǒng)的飛行位置姿態(tài)，以此來準確定位地面的三維坐標。并且可以搭載高分辨率數(shù)碼相機，同時獲取地面的高清晰數(shù)碼影像以得到地面的紋理和光譜信息。

1.1 激光系統(tǒng)

激光系統(tǒng)包括一個發(fā)射單束窄帶的激光器和一個用于接收激光發(fā)射的接收系統(tǒng)。當發(fā)射的離散激光脈沖遭遇阻攔物體并且反射后，最終會打到接收器上面，同時接收器會準確得到以光速傳播的激光束的傳播時間，由此可以計算出激光器和地面目標的距離，然后根據(jù)GPS和IMU得到的激光器坐標來確定地面的坐標。激光系統(tǒng)是本系統(tǒng)的核心,以RIEGL公司的LMS-Q560為例，最高可以達到240 KHz的發(fā)射頻率，在800 m的飛行高度施行180 KHz的頻率，點間距可控制在10 cm，激光器的性能決定了最終數(shù)據(jù)成果的分辨率，同時也對數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生明顯的影響。

1.2 動態(tài)差分GPS定位技術(shù)

在機載LiDAR應(yīng)用中，往往采用動態(tài)差分GPS定位技術(shù)，它需要布設(shè)若干地面GPS基站來與機載GPS進行差分，由于它得到的定位數(shù)據(jù)是整個機載系統(tǒng)定位的初始數(shù)據(jù)，因此它的定位精度直接影響到激光數(shù)據(jù)最終的精度。圖1為LiDAR系統(tǒng)數(shù)據(jù)預處理原理圖。

圖1 數(shù)據(jù)預處理原理圖

2 機載LiDAR數(shù)據(jù)獲取

飛行高度、激光發(fā)射頻率和掃描角共同決定了激光點云的密度，決定成果的分辨率，不同的飛行高度對激光發(fā)射頻率上限有不同的要求，所以在飛行進行之前需要綜合考慮。

2.1 航線規(guī)劃

航線規(guī)劃是在數(shù)據(jù)獲取前非常重要的工作，它的目的在于確定LiDAR系統(tǒng)載體的飛行線路，為數(shù)據(jù)采集過程實現(xiàn)導航，保證全面、正確地獲取符合要求的激光數(shù)據(jù)。在具體的規(guī)劃中還需要知道選用的橢球標準和投影方式，這對于大片或者帶狀區(qū)域意義重大。圖2為計劃好的航向。

圖2 航向圖

2.2 地面GPS基站布設(shè)

對于帶狀的測區(qū)，需要沿線路方向每隔一段距離布設(shè)一個GPS基站，根據(jù)GPS差分原理以及項目實際基線長度應(yīng)該控制在適合的范圍，一般在20 km以內(nèi)，這樣才能達到GPS差分效果的最優(yōu)化。在機載LiDAR系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)之前，設(shè)定好一致采樣頻率且開機工作，保證系統(tǒng)GPS工作時間有地面基站與其差分。

2.3 確保獲取數(shù)據(jù)的質(zhì)量

為了得到全面、精確、符合要求的點云數(shù)據(jù)，應(yīng)該在數(shù)據(jù)采集前做好充分的準備，采集過程中密切關(guān)注數(shù)據(jù)采集和存儲情況。對于儀器懸掛在飛行器外面的情況，要做好防風防雨措施，導航和存儲單元應(yīng)保證其散熱良好，飛行器飛行中會連帶激光器產(chǎn)生高頻震動，系統(tǒng)的搭載器件在牢固的前提下應(yīng)做好減震防護。

3 LiDAR在鐵路勘測中的應(yīng)用

LiDAR在鐵路勘測中的應(yīng)用非常的廣泛，我國機載LiDAR技術(shù)現(xiàn)階段來說已經(jīng)成熟，可以充分地運用到鐵路勘測中。下面我們就制作DTM和DSM和LiDAR與其他數(shù)據(jù)相互融合介紹一下。

圖3 等高線圖

3.1 制作DTM和DSM

數(shù)字地面模型(DTM)是利用一個坐標系中的大量已知坐標，得到的連續(xù)的帶有地理特征地面模型，還包括坡度坡向特性。具體實現(xiàn)主要以TIN三角網(wǎng)或者規(guī)則格網(wǎng)為基礎(chǔ)來建立數(shù)字地面模型，數(shù)字地表模型(DSM)是對地球表面各類地物和綜合描述。二者的區(qū)別在于前者是去除掉植被，建筑物等物體后，反映地球表面最根本的構(gòu)造模型，而DSM則包括植被和各種建筑。圖3為根據(jù)DTM繪制的等高線。

3.2 與其他數(shù)據(jù)相互融合

機載LiDAR系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)缺少相應(yīng)的紋理和光譜信息，為了使獲取的信息更加全面，可以利用高分辨率數(shù)碼相機甚至高光譜相機同步獲取地面的真彩影像信息。LiDAR系統(tǒng)自帶了高精度POS系統(tǒng)(GPS和IMU)，得到的POS數(shù)據(jù)可以與相機共享，采用POS系統(tǒng)輔助光束法來生成正射影像。激光數(shù)據(jù)具有明顯的三維特征，這兩種數(shù)據(jù)融合能夠?qū)⒏髯缘膬?yōu)勢集合起來，生成的三維模型也更加逼真。

4 結(jié)論

機載LiDAR技術(shù)作為一項技術(shù)，可以與數(shù)字地面模型(DTM)和數(shù)字地表模型(DSM)結(jié)合，對地球表面各類地物和綜合描述。另外，LiDAR系統(tǒng)自帶了高精度POS系統(tǒng)，生成高精度的三維模型，這對鐵路建設(shè)的實地勘測和應(yīng)用，具有重要的參考價值。

［1］徐祖艦，王滋政，陽鋒.機載激光雷達測量技術(shù)及工程應(yīng)用實踐［M］武漢:武漢大學出版社，2009

［2］劉經(jīng)南，張小紅.激光掃描測高技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀［J］武漢大學 學報:信息科學版，2003(2):132137

［3］王明華，張小紅，曾濤等。機載Lidar數(shù)據(jù)濾波預處理方法研究［J］武漢大學學報:信息科學版， 2010(3)

［4］雷雙君，孫洪會.機載Lidar系統(tǒng)在公路斷面測量中的應(yīng)用與精度分析［J］城市建設(shè)理論研究，2013(24)

liDAR技術(shù)在鐵路勘測中的研究和應(yīng)用

■劉天亮

P62[文獻碼]B

1000-405X（2016）-10-237-1