车载LiDAR技术在铁路复测中的应用研究

刘向阳��

摘要：随着我国铁路交通建设的高速发展，铁路运行速度和频率越来越高，这就对铁路的运营安全提出了更高的要求。因此我们要经常对铁路进行养护和复测。复测的工作量大大提升，由于传统复测安全性差作业效率低已经不能满足现在铁路复测要求。故迫切需要一种高效、安全、准确的作业方法。

关键词：车载LiDAR；数据获取；控制网；数据处理

1 车载LiDAR测量系统

激光雷达系统（LiDAR，即Light Laser Detection and Ranging），是激光探测及测距系统的简称，是一种集激光、全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（INS）于一身的系统。结合激光器的高度及扫描角度，从GPS获得的激光器的位置以及从INS获得的激光发射方向，便可准确计算出每一个地面光斑的空间坐标，从而获取被测物体的三维表面形态。车载激光雷达测量系统则是将三维激光扫描系统加装在交通运输平台上进行激光雷达扫描作业，获取车辆行驶路线两侧的三维信息。

2 研究的技术路线与扫描方案及实施

由于铁路沿线地形复杂在某些地方LiDAR测量系统将接收不到GPS信号，各种电子设备也有会干扰IMU的工作，这样就造成GPS信号和IMU数据异常。因此在很大程度上降低了POS解算精度。在POS数据丢失的区域应布设靶标对POS解算数据进行纠正提高点云的精度。再扫描过程中应在铁路附近架设基准站，使得车载GPS能接受到从基准站发出的数据进行差分和POS解算。

任何测量都会产生误差，车载LiDAR测量系统也不例外。车载LiDAR测量系统的主要误差来源有：测量过程中产生的误差、定位误差、激光测距误差测角误差、系统集成误差、数据处理误差、坐标系转换误差。这些误差在测量过程中对精度影响很大，因此需要在扫描数据的处理过程中，使用靶标消除这些误差。标靶的布设要注意靶标大小、布设的位置、密度、精度等级。我们可以根据运行速度、使用的仪器等来确定扫描频率、扫描角度、扫描带宽、影像曝光时间等。

3 基准控制网和标靶控制网的建立

根据车载激光LiDAR扫描系统测量的技术特点和铁路复测的精度要求，要获得高质量的铁路平纵断面参数，必须建立基准站控制网和靶标控制网，并在铁路扫描测量之前完成控制网的测量工作。

3.1 基准站控制网

基准站的平面测量精度要求，点间距大于1km小于4km时，按铁路GPS二等精度等级的要求测量基准站控制网CPI ，最弱边相对中误差应小于规范要求的1/100000。点间距在400800m时，按高速铁路三等GPS测量的要求布设地面（或基站）控制网CPII基准站的高程测量CPI/CPII高程精度为线下二等水准测量。

3.2 靶标控制网

根据铁路的平纵断面参数、沿线隧道、桥梁、路堤、路堑及铁路沿线的高山陡壁、植被对卫星信号的遮挡情况，沿铁路线两侧布设靶标控制点。在视野开阔、铁路平顺、GPS信号强的的地段，靶标可布设的稀一些，尽量布设在铁路平面高程变化大的地方，如曲线地段的直缓点、曲线中点、圆缓点、缓直点及坡道地段的坡度起点、坡度终点等。

4 点云数据处理

在进行了控制网测量及线路扫描之后，需要获得具有绝对坐标的三维点云数据。首先需要对IMU/GNSS 数据进行POS差分解算得到精确的列车行驶轨迹和姿态，然后将激光扫描仪测量的扫描仪坐标系下的点云数据与处理后的POS数据进行融合，通过坐标转换得到物体WGS84坐标系下的三维激光坐标点。

4.1 点云分类

使用软件采用垂直钢轨拉剖面，移动端面，按高程信息分类的方法分类出正线轨顶面点及内轨面点。将平面距离粗略轨面线3 cm 内，高程1 cm 的备选激光点提取出来。通过对分类数据进行拟合解算出中心线信息，为后续提取线路复测要素提供数据基础。

4.2 铁路附属设施提取

参考影像数据和外业调绘在点云数据中对铁路设施进行识别，使用TerraSolid软件的Tscan模块根据点云数据进行轨道附属设施三维坐标的采集。如采集岔尖、信号机、牵引电力线杆架、平交道、各种铁路桥、隧道、涵洞中心坐标，量测横跨铁路的各種桥梁、电力线、人行天桥等要素的净高等。

4.3 绘制断面线

根据线路总体组提供的铁路中线及断面里程，按断面的要求宽度，在铁路中线上绘制断面线。使用小程序交互制作断面线。

1）打开AutoCAD2007，加载线路中线文件（*.dwg格式或其它AutoCAD可以打开的格式）。将线路中线按需要分成若干段。

2）加载绘制断面线的程序 DrawTransect.dll：在AutoCAD的命令栏输入“netload”，然后选择程序所在的目录，并选择“DrawTransect.dll”文件。

3）运行“dmx”命令生成断面线：在AutoCAD的命令栏输入“dmx”运行命令，然后根据命令的提示选择一段线路中线，输入断面到这段中线起点的距离，最后输入要绘制的断面线在中线一侧的长度，完成断面的绘制。一次只能生成一个断面，直到所有的断面线绘制完毕。例如中线起点里程K100+200，断面中桩里程K100+250，断面宽度100，断面到中线起点的距离为50，断面线在中线一侧的长度等于50。

5 结语

车载激光雷达作为一种先进的数据获取手段已受到关注，其数据能够更加直观、快速的展现和分析铁路线路情况，是铁路复测的一种先进有效的手段，是实现铁路复测技术现代化的重要内容之一，完善了铁路运行维护测量体系，为列车运行安全提供有力的依据，为我国铁路提供安全运营保证，在今后的工作中，应大力推广、普遍应用。

参考文献：

[1]王晓凯.车载激光雷达在铁路复测中的应用探讨[J].铁道建筑，2013（2）：8183.

[2]张江，郑晓辉.铁路既有线复测方法探讨[J].铁道勘察，2005（2）：1516.

[3]TB106012009，高速铁路工程测量规范[S].

作者简介：刘向阳（1990），男，汉族，河南浚县人，硕士。