（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院 集團(tuán)有限公司 天津300384）

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鐵路是交通的骨干，鐵路交通運(yùn)輸是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈。在當(dāng)今世界，無(wú)論是外國(guó)還是中國(guó)，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(cè)是一個(gè)宏觀到微觀，層層深入的過(guò)程，因此鐵路勘測(cè)任務(wù)非常重要。本文主要是介紹在鐵路勘測(cè)中l(wèi)iDAR技術(shù)，進(jìn)一步研究liDAR技術(shù)以及其應(yīng)用。

liDAR技術(shù)鐵路勘測(cè)應(yīng)用

機(jī)載liDAR具有獲取數(shù)據(jù)快、對(duì)天氣條件要求低、數(shù)據(jù)精度高等優(yōu)勢(shì)，因此被越來(lái)越多地用于測(cè)繪生產(chǎn)中。機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)在鐵路勘測(cè)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(guò)提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度，或者提高點(diǎn)云分類精度及加強(qiáng)濾波數(shù)據(jù)處理可以使斷面精度進(jìn)一步提高。

1 LiDAR系統(tǒng)概述

機(jī)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(cè)量單元3部分組成，后面兩部分負(fù)責(zé)準(zhǔn)確地確定LiDAR系統(tǒng)的飛行位置姿態(tài)，以此來(lái)準(zhǔn)確定位地面的三維坐標(biāo)。并且可以搭載高分辨率數(shù)碼相機(jī)，同時(shí)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(gè)發(fā)射單束窄帶的激光器和一個(gè)用于接收激光發(fā)射的接收系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)射的離散激光脈沖遭遇阻攔物體并且反射后，最終會(huì)打到接收器上面，同時(shí)接收器會(huì)準(zhǔn)確得到以光速傳播的激光束的傳播時(shí)間，由此可以計(jì)算出激光器和地面目標(biāo)的距離，然后根據(jù)GPS和IMU得到的激光器坐標(biāo)來(lái)確定地面的坐標(biāo)。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(dá)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(diǎn)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(shí)也對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生明顯的影響。

1.2 動(dòng)態(tài)差分GPS定位技術(shù)

在機(jī)載LiDAR應(yīng)用中，往往采用動(dòng)態(tài)差分GPS定位技術(shù)，它需要布設(shè)若干地面GPS基站來(lái)與機(jī)載GPS進(jìn)行差分，由于它得到的定位數(shù)據(jù)是整個(gè)機(jī)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L(zhǎng)iDAR系統(tǒng)數(shù)據(jù)預(yù)處理原理圖。

圖1 數(shù)據(jù)預(yù)處理原理圖

2 機(jī)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(diǎn)云的密度，決定成果的分辨率，不同的飛行高度對(duì)激光發(fā)射頻率上限有不同的要求，所以在飛行進(jìn)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(guò)程實(shí)現(xiàn)導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)和投影方式，這對(duì)于大片或者帶狀區(qū)域意義重大。圖2為計(jì)劃好的航向。

圖2 航向圖

2.2 地面GPS基站布設(shè)

對(duì)于帶狀的測(cè)區(qū)，需要沿線路方向每隔一段距離布設(shè)一個(gè)GPS基站，根據(jù)GPS差分原理以及項(xiàng)目實(shí)際基線長(zhǎng)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(dá)到GPS差分效果的最優(yōu)化。在機(jī)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(kāi)機(jī)工作，保證系統(tǒng)GPS工作時(shí)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(diǎn)云數(shù)據(jù)，應(yīng)該在數(shù)據(jù)采集前做好充分的準(zhǔn)備，采集過(guò)程中密切關(guān)注數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)情況。對(duì)于儀器懸掛在飛行器外面的情況，要做好防風(fēng)防雨措施，導(dǎo)航和存儲(chǔ)單元應(yīng)保證其散熱良好，飛行器飛行中會(huì)連帶激光器產(chǎn)生高頻震動(dòng)，系統(tǒng)的搭載器件在牢固的前提下應(yīng)做好減震防護(hù)。

3 LiDAR在鐵路勘測(cè)中的應(yīng)用

LiDAR在鐵路勘測(cè)中的應(yīng)用非常的廣泛，我國(guó)機(jī)載LiDAR技術(shù)現(xiàn)階段來(lái)說(shuō)已經(jīng)成熟，可以充分地運(yùn)用到鐵路勘測(cè)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(gè)坐標(biāo)系中的大量已知坐標(biāo)，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(shí)現(xiàn)主要以TIN三角網(wǎng)或者規(guī)則格網(wǎng)為基礎(chǔ)來(lái)建立數(shù)字地面模型，數(shù)字地表模型(DSM)是對(duì)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(jī)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(jī)甚至高光譜相機(jī)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(jī)共享，采用POS系統(tǒng)輔助光束法來(lái)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(shì)集合起來(lái)，生成的三維模型也更加逼真。

4 結(jié)論

機(jī)載LiDAR技術(shù)作為一項(xiàng)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(duì)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(duì)鐵路建設(shè)的實(shí)地勘測(cè)和應(yīng)用，具有重要的參考價(jià)值。

［1］徐祖艦，王滋政，陽(yáng)鋒.機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)及工程應(yīng)用實(shí)踐［M］武漢:武漢大學(xué)出版社，2009

［2］劉經(jīng)南，張小紅.激光掃描測(cè)高技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀［J］武漢大學(xué) 學(xué)報(bào):信息科學(xué)版，2003(2):132137

［3］王明華，張小紅，曾濤等。機(jī)載Lidar數(shù)據(jù)濾波預(yù)處理方法研究［J］武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版， 2010(3)

［4］雷雙君，孫洪會(huì).機(jī)載Lidar系統(tǒng)在公路斷面測(cè)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(cè)中的研究和應(yīng)用

■劉天亮

P62[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-10-237-1