liDAR技術在鐵路勘測中的研究和應用

（中鐵第六勘察設計院 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濟的命脈。在當今世界，無論是外國還是中國，鐵路網仍然是最重要的交通網絡。而在鐵路建設方面，鐵路勘測是一個宏觀到微觀，層層深入的過程，因此鐵路勘測任務非常重要。本文主要是介紹在鐵路勘測中liDAR技術，進一步研究liDAR技術以及其應用。

liDAR技術鐵路勘測應用

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

1 LiDAR系統概述

機載LiDAR系統從功能上講由激光系統、全球定位系統和慣性測量單元3部分組成，后面兩部分負責準確地確定LiDAR系統的飛行位置姿態，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碼相機，同時獲取地面的高清晰數碼影像以得到地面的紋理和光譜信息。

1.1 激光系統

激光系統包括一個發射單束窄帶的激光器和一個用于接收激光發射的接收系統。當發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GPS和IMU得到的激光器坐標來確定地面的坐標。激光系統是本系統的核心,以RIEGL公司的LMS-Q560為例，最高可以達到240 KHz的發射頻率，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據成果的分辨率，同時也對數據質量產生明顯的影響。

1.2 動態差分GPS定位技術

在機載LiDAR應用中，往往采用動態差分GPS定位技術，它需要布設若干地面GPS基站來與機載GPS進行差分，由于它得到的定位數據是整個機載系統定位的初始數據，因此它的定位精度直接影響到激光數據最終的精度。圖1為LiDAR系統數據預處理原理圖。

圖1 數據預處理原理圖

2 機載LiDAR數據獲取

飛行高度、激光發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 航線規劃

航線規劃是在數據獲取前非常重要的工作，它的目的在于確定LiDAR系統載體的飛行線路，為數據采集過程實現導航，保證全面、正確地獲取符合要求的激光數據。在具體的規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

對于帶狀的測區，需要沿線路方向每隔一段距離布設一個GPS基站，根據GPS差分原理以及項目實際基線長度應該控制在適合的范圍，一般在20 km以內，這樣才能達到GPS差分效果的最優化。在機載LiDAR系統采集數據之前，設定好一致采樣頻率且開機工作，保證系統GPS工作時間有地面基站與其差分。

2.3 確保獲取數據的質量

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

3 LiDAR在鐵路勘測中的應用

LiDAR在鐵路勘測中的應用非常的廣泛，我國機載LiDAR技術現階段來說已經成熟，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與其他數據相互融合介紹一下。

圖3 等高線圖

3.1 制作DTM和DSM

數字地面模型(DTM)是利用一個坐標系中的大量已知坐標，得到的連續的帶有地理特征地面模型，還包括坡度坡向特性。具體實現主要以TIN三角網或者規則格網為基礎來建立數字地面模型，數字地表模型(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造模型，而DSM則包括植被和各種建筑。圖3為根據DTM繪制的等高線。

3.2 與其他數據相互融合

機載LiDAR系統所采集的數據缺少相應的紋理和光譜信息，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系統自帶了高精度POS系統(GPS和IMU)，得到的POS數據可以與相機共享，采用POS系統輔助光束法來生成正射影像。激光數據具有明顯的三維特征，這兩種數據融合能夠將各自的優勢集合起來，生成的三維模型也更加逼真。

4 結論

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

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liDAR技術在鐵路勘測中的研究和應用

■劉天亮

P62[文獻碼]B

1000-405X（2016）-10-237-1