机载激光雷达系统 (Light Detection And Ranging, 简称LIDAR) , 也叫机载激光雷达, 是一种安装在飞机上的机载激光探测和测距系统, 它集成了激光扫描仪、差分GPS系统、IMU (Inertial Measurement Unit, 惯性量测单元, 用以量测飞机平台的飞行姿态) 、数码相机。在动态载波相位差分GPS系统和IMU的支持下, 激光扫描系统通过激光扫描器和距离传感器, 经由微计算机对测量资料进行内部处理, 显示或存储、输出距离和角度等资料, 并与距离传感器获取的数据相匹配, 经过相应软件进行一系列处理来获取被测目标的表面形态和三维坐标数据, 从而进行各种量算或建立立体模型。
1 LIDAR数据获取的基本原理
当机载LIDAR航摄飞行时, 激光扫描仪发射、接收激光束, 对地面进行线状扫描, 与此同时, 动态GPS系统确定传感器的空间位置 (经纬度) , IMU测量飞机的实时姿态数据, 即滚动、仰俯和航偏角。由于系统的几个部分同步工作并集成于一体, GPS和IMU的数据融合极为方便, 所以经后期地面数据处理后, 即可获取地面的三维数据。
2 LIDAR用于铁路线路优化设计的模式
三维激光雷达技术应用于铁路线路优化设计包括数据获取、数据处理、优化设计等工作内容。
(1) 原始数据采集:在航飞前要制订飞行计划, 安置全球定位系统接收机、激光扫描测量、惯性测量、数码相机等。 (2) 基础数据处理:机载激光雷达测量系统在野外采集得到的数据需要进行一定的处理才能得到需要的信息。数据处理的内容包括:确定航迹、激光扫描测量数据处理、数据分类处理、坐标匹配、影像数据的定向和镶嵌、建立三维地形模型。 (3) 线路优化设计:以高精度、高分辨率正射影像和激光点云数据、数字高程模型数据为基础, 采用二、三维结合方式, 结合架空铁路线路设计业务需求, 采用多人协同设计, 实现铁路线路路径优化设计的一体化全流程应用。
3 工程应用实例
3.1 工程概况
针对某铁路线路工程 (线路长度约为130km) 。多为山地地形。植被以稀疏灌木林为主, 局部间杂茂密, 交通条件一般。
3.2 激光测量系统检校
将机载激光测量系统安装到飞行器上后, 首先必须进行系统检校, 以获取相关参数, 保证数据精度。包括激光扫描仪的检校和数码相机的检校, 必须按照相关技术手册进行。
3.3 地面GPS设基准站
激光飞行时需在地面布设GPS基准站, 旨在航摄期间连续获取与机载GPS同步的观测数据, 通过事后联合差分解算机载GPS轨迹。相邻基站间最大间距不得超过60km。
3.4 实施航空摄影飞行
根据激光测量系统的检校参数, 结合工程设计的航带, 确定作业飞机的飞行参数及测量参数, 选择合适的影像地面采样率、带宽和激光点间距等参数, 实施航飞过程。
3.5 数据处理
将机载激光扫描测量数据转化为线路勘测设计数据大致要经过下列几个步骤。
3.5.1 构建数字化立体作业平台
利用激光扫描测量系统所获取的DEM数据和正射影像数据, 恢复测区立体模型, 并在此基础上对线路路径进行优化。由于本系统所产生的三维立体模型是以正射影像数据为纹理、以实测的激光点云数据为基础建立起来的真三维实体, 可以从不同角度对同一地方进行观察。因此, 以此立体模型作为选线平台, 可以大大提高选线结果的可信度和可靠性, 使线路路径走向更加经济合理。
3.5.2 制作DEM、DSM和DOM
采用专业软件, 导入激光点数据, 设置分析参数, 进行自动分类, 区别地面、房屋、植被等, 经分析对比, 目前自动分类准确率仅为20%～30%。在此基础上采用人工干预方式结合影像进行精确分类, 得到准确的数字高程模型和数字表面模型和房屋等信息。采用数码影像和精度更高的激光数据, 经过纠正、镶嵌, 可以获取比传统方法更加精确的正射影像图 (DOM) 。
3.5.3 制作平断面图
平断面图是铁路线路勘测的主要成果之一。平面图通过立体作业平台获取。在断面图绘制中, 中线、边线断面及风偏危险点从DEM中自动提取。由于激光扫描测量系统所采集的点密度非常大, 精度也较高, 所含信息丰富, 使得中线、边线断面可以同时获取DEM和DSM2种数据, 并且更加贴近真实地表, 更好地服务于计算机的自动优化排位。在本工程中, 我们将常规工程测量方法获取的数据、传统的航测摄影测量数据和激光扫描测量数据进行了比较, 证明机载激光扫描测量数据是可靠的, 其断面精度略高于普通航测断面精度。
4 结语
实践证明三维激光雷达技术, 用于铁路线路等工程优化设计具有创新性和代表性, 打破了传统设计的方式方法, 从数据获取及处理、初步设计、优化设计、终勘定位、三维模拟、运营维护管理等方面建立了一体化的、三维可视化的系统性技术体系和支撑平台。随着三维激光雷达技术与相关技术的进一步融合, 将会对铁路工程的设计运营产生深远影响, 三维智能数字铁路将真正成为可能。
摘要：本文基于笔者参与的某铁路线路工程测量经验, 以LIDAR技术在该工程测量中的应用为研究对象, 研究探讨了具体的应用思路, 全文是笔者工程实践基础上的理论升华, 相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。
关键词：LIDAR,铁路线路,优化,DEM
参考文献
[1] 张祖勋, 张剑清.数字摄影测量学[M].武汉测绘科技大学出版社, 1997.
[2] 程正逢, 王盛才, 等.航空激光扫描测量系统在国外工程中的应用[J].地理空间信息, 2003 (3) .
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