liDAR技术在铁路勘测中的研究和应用

（中铁第六勘察设计院 集团有限公司 天津300384）

（中铁第六勘察设计院 集团有限公司 天津300384）

铁路是交通的骨干，铁路交通运输是我国国民经济的命脉。在当今世界，无论是外国还是中国，铁路网仍然是最重要的交通网络。而在铁路建设方面，铁路勘测是一个宏观到微观，层层深入的过程，因此铁路勘测任务非常重要。本文主要是介绍在铁路勘测中liDAR技术，进一步研究liDAR技术以及其应用。

liDAR技术铁路勘测应用

机载liDAR具有获取数据快、对天气条件要求低、数据精度高等优势，因此被越来越多地用于测绘生产中。机载激光雷达数据在铁路勘测方面已被逐渐应用。在植被覆盖度低，地形平缓地区精度是非常高的，完全满足断面生产精度要求，而在植被茂密、地形突变的地区精度较差，但是通过提高点云数据密度，或者提高点云分类精度及加强滤波数据处理可以使断面精度进一步提高。

1 LiDAR系统概述

机载LiDAR系统从功能上讲由激光系统、全球定位系统和惯性测量单元3部分组成，后面两部分负责准确地确定LiDAR系统的飞行位置姿态，以此来准确定位地面的三维坐标。并且可以搭载高分辨率数码相机，同时获取地面的高清晰数码影像以得到地面的纹理和光谱信息。

1.1 激光系统

激光系统包括一个发射单束窄带的激光器和一个用于接收激光发射的接收系统。当发射的离散激光脉冲遭遇阻拦物体并且反射后，最终会打到接收器上面，同时接收器会准确得到以光速传播的激光束的传播时间，由此可以计算出激光器和地面目标的距离，然后根据GPS和IMU得到的激光器坐标来确定地面的坐标。激光系统是本系统的核心,以RIEGL公司的LMS-Q560为例，最高可以达到240 KHz的发射频率，在800 m的飞行高度施行180 KHz的频率，点间距可控制在10 cm，激光器的性能决定了最终数据成果的分辨率，同时也对数据质量产生明显的影响。

1.2 动态差分GPS定位技术

在机载LiDAR应用中，往往采用动态差分GPS定位技术，它需要布设若干地面GPS基站来与机载GPS进行差分，由于它得到的定位数据是整个机载系统定位的初始数据，因此它的定位精度直接影响到激光数据最终的精度。图1为LiDAR系统数据预处理原理图。

图1 数据预处理原理图

2 机载LiDAR数据获取

飞行高度、激光发射频率和扫描角共同决定了激光点云的密度，决定成果的分辨率，不同的飞行高度对激光发射频率上限有不同的要求，所以在飞行进行之前需要综合考虑。

2.1 航线规划

航线规划是在数据获取前非常重要的工作，它的目的在于确定LiDAR系统载体的飞行线路，为数据采集过程实现导航，保证全面、正确地获取符合要求的激光数据。在具体的规划中还需要知道选用的椭球标准和投影方式，这对于大片或者带状区域意义重大。图2为计划好的航向。

图2 航向图

2.2 地面GPS基站布设

对于带状的测区，需要沿线路方向每隔一段距离布设一个GPS基站，根据GPS差分原理以及项目实际基线长度应该控制在适合的范围，一般在20 km以内，这样才能达到GPS差分效果的最优化。在机载LiDAR系统采集数据之前，设定好一致采样频率且开机工作，保证系统GPS工作时间有地面基站与其差分。

2.3 确保获取数据的质量

为了得到全面、精确、符合要求的点云数据，应该在数据采集前做好充分的准备，采集过程中密切关注数据采集和存储情况。对于仪器悬挂在飞行器外面的情况，要做好防风防雨措施，导航和存储单元应保证其散热良好，飞行器飞行中会连带激光器产生高频震动，系统的搭载器件在牢固的前提下应做好减震防护。

3 LiDAR在铁路勘测中的应用

LiDAR在铁路勘测中的应用非常的广泛，我国机载LiDAR技术现阶段来说已经成熟，可以充分地运用到铁路勘测中。下面我们就制作DTM和DSM和LiDAR与其他数据相互融合介绍一下。

图3 等高线图

3.1 制作DTM和DSM

数字地面模型(DTM)是利用一个坐标系中的大量已知坐标，得到的连续的带有地理特征地面模型，还包括坡度坡向特性。具体实现主要以TIN三角网或者规则格网为基础来建立数字地面模型，数字地表模型(DSM)是对地球表面各类地物和综合描述。二者的区别在于前者是去除掉植被，建筑物等物体后，反映地球表面最根本的构造模型，而DSM则包括植被和各种建筑。图3为根据DTM绘制的等高线。

3.2 与其他数据相互融合

机载LiDAR系统所采集的数据缺少相应的纹理和光谱信息，为了使获取的信息更加全面，可以利用高分辨率数码相机甚至高光谱相机同步获取地面的真彩影像信息。LiDAR系统自带了高精度POS系统(GPS和IMU)，得到的POS数据可以与相机共享，采用POS系统辅助光束法来生成正射影像。激光数据具有明显的三维特征，这两种数据融合能够将各自的优势集合起来，生成的三维模型也更加逼真。

4 结论

机载LiDAR技术作为一项技术，可以与数字地面模型(DTM)和数字地表模型(DSM)结合，对地球表面各类地物和综合描述。另外，LiDAR系统自带了高精度POS系统，生成高精度的三维模型，这对铁路建设的实地勘测和应用，具有重要的参考价值。

［1］徐祖舰，王滋政，阳锋.机载激光雷达测量技术及工程应用实践［M］武汉:武汉大学出版社，2009

［2］刘经南，张小红.激光扫描测高技术的发展与现状［J］武汉大学 学报:信息科学版，2003(2):132137

［3］王明华，张小红，曾涛等。机载Lidar数据滤波预处理方法研究［J］武汉大学学报:信息科学版， 2010(3)

［4］雷双君，孙洪会.机载Lidar系统在公路断面测量中的应用与精度分析［J］城市建设理论研究，2013(24)

liDAR技术在铁路勘测中的研究和应用

■刘天亮

P62[文献码]B

1000-405X（2016）-10-237-1