无人机LiDAR技术在铁路勘测中的应用分析

为了提高铁路勘测制图的精度和效率,减少外业勘测的工作量,结合工程实例,选用适合的无人机平台和轻小型Li DAR系统,对铁路沿线进行无人机Li DAR航摄,以验证无人机Li DAR系统的可靠性和植被穿透性,并对出现的技术问题提出解决方法。研究表明:(1)对获取的Li DAR点云进行坐标转换、高程改正、点云分类并生成DEM,同时基于高精度POS数据制作正射影像,根据实测点统计出的DEM和DOM精度指标,可满足铁路工程制作大比例地形图的要求。(2)根据DEM和DOM制作的大比例地形图和线路横断面图,通过外业勘测核实,相较于传统立体航测,中误差从0. 423 m减少为0. 265m,数据利用率提高了45. 5%,极大减少了外业勘测工作量。项目应用效果表明,无人机Li DAR摄影制图具有数据获取灵活、外业工作量少、成果精度高等优势,可以为今后的工程应用提供参考。     

机载LiDAR技术在复杂地形铁路定测阶段的应用研究

为提高新建铁路定测阶段测量工作效率,在某复杂地形新建铁路项目中,基于其使用机载LiDAR点云数据进行中线测量、横断面测量、地形图测绘等作业,并对数据精度进行分析比较。在LiDAR断面测量时,基于Terrasolid软件得到的成果数据冗余量大,提出一种改进的道格拉斯-普克算法,以达到既反映地形变化又减少断面点数量的效果。在项目横断面测量中,大量实测数据与LiDAR点云测量数据的对比分析表明,在植被稀疏的平地、丘陵地区,97.25%的断面点高差较差小于0.35 m, 100%的断面点高差较差小于0.5 m;在植被茂密的高山地区,73.33%的断面点高差较差小于0.35 m, 95.15%的断面点高差较差小于1.0 m。因此,在复杂地形铁路定测阶段,LiDAR数据生产宜采用内业生产为主,外业测量检核为辅的作业模式。     

三维激光扫描仪在高速铁路轨道线形测量中的应用

为解决传统轨道检测小车测量作业效率低、成本高、数据形式单一等问题,采用基于自由测站的三维激光扫描仪进行点云数据获取,通过对仪器技术参数及扫描模式分析,对点云平面及高程坐标精度推算,确定了设站模式、作业线路、设站间隔。结合16 km隧道内既有铁路轨道线形测量工程实例,对比了轨检小车与三维激光扫描仪在人员、设备以及作业用时方面的差别;通过对414站扫描设站精度进行统计,推导计算得出点云坐标平面精度可达2.45 mm,高程精度可达1.06 mm。通过自主研发软件提取轨道中线三维坐标,采用稳健平滑滤波进行去噪处理,结果表明,点云中线坐标与静态轨检小车测量结果横向偏差平均值为2.7 mm,高程较差平均值为3.9 mm。     

运营客专三角高程测量上桥方案研究

高速铁路既有线运营复测中,桥梁高程控制测量要求采用二等水准测量,采用传统的几何水准测量方法受到地形复杂和上线时间限制影响导致外业工作量大,测量周期长,测量效率低。三角高程测量具有受地形条件限制较小,传递高程迅速,工作效率高等优点。分析运营客专高程联测的具体情况,改进了三角高程测量棱镜杆件,结合工程实例详细论述了新测量方法的适用性,并总结了该测量方法的特点。     

结合LIDAR和RCD相机的1:2000地形图生产探讨

机载激光雷达能够快速获取地表数字高程模型,但因点云的不连续性,很难单独用点云数据来制作高精度的数字线画图。一般情况下,机载雷达设备都配置有中小幅面数码相机,可同步获取数码航片,但其高程精度和地形生产效率较低。从铁路行业应用特点出发,结合ALS60机载激光雷达设备的应用,探讨一种结合LIDAR点云和RCD105中幅数码影像的1∶2 000地形图制作新方法,并通过实验论证了该方案的适用性。     

无人机LiDAR技术在山区铁路测绘中的应用

复杂山区铁路建设项目中,所涉及的区域一般自然环境恶劣,地形条件复杂,传统测绘手段难以获取满足设计精度要求的测绘资料。结合我国西部高海拔山区的某铁路勘测项目,根据工作区域、地形地貌等特点,提出基于北斗高精度区域定位的旋翼无人机多载荷仿地飞行方案,获取测区有效范围内高密度、高精度、高质量激光点云数据以及数码高清影像等数据资料,再对数据进行试验加工处理,形成各类测绘产品,满足勘察设计各专业对测绘资料精度需求,同时系统总结了适用于高海拔复杂地形、大高差、高寒缺氧等特殊环境下的无人机LiDAR测绘作业模式与技术手段,包括载荷性能指标、飞行航线指标、飞行平台指标、采集参数设置、内业数据处理详细步骤等。研究表明,在高海拔复杂山区作业环境下,充分利用无人机LiDAR机动灵活、环境适应能力强、数据精度高、仿地飞行等优势,可作为传统卫星影像测量、航空摄影测量等勘测技术的有效补充,在铁路勘察小范围精细化地形图制作、中线测量中具有得天独厚的优势,可以解决高海拔复杂山区铁路测绘难题。     

基于三维激光扫描技术的地铁盾构隧道中轴线高程提取方法

针对目前三维激光扫描技术检测盾构隧道横断面方法效率低、不能充分利用高密度点云数据的问题，从精度、效率及充分利用高密度横断面点云数据三方面进行隧道中轴线高程分析。提出利用空间几何关系快速提取隧道原始点云数据横断面的方法，继而利用K近邻计算方法提取隧道中轴线高程。试验结果表明，该隧道中轴线高程提取方法与水准仪实测获得的隧道中轴线高程间最大差值为3 mm。与水准仪实测方法相比，该隧道中轴线高程提取方法的检测精度与检测效率均有较大改善，且其不需要进行横断面点云数据的抽稀，充分利用了海量原始点云数据，可推广应用至盾构隧道竣工验收工作。     

轻小型激光雷达在铁路勘测中的应用研究

为解决短小铁路项目航飞数据难以及时获取和既有铁路上线测量困难等问题,将轻小型激光雷达引入铁路勘测项目中,并与大型航摄设备在使用方便性、空域申请周期、有效航飞天数等方面进行对比分析。在执行短小铁路项目航飞作业时,小型激光雷达较大型航摄设备可提高效率50%以上。结合轻小型激光雷达在铁路勘测项目初测、定测和既有线测绘等工作中的应用试验,总结不同测绘工作的技术流程和精度控制方案,其激光点云精度可以达到5 cm,满足新建铁路项目大比例成图、断面测量、工点地形测绘,既有铁路平面测绘、横断面测量等要求(但不能满足既有线中平测量2 cm的精度要求),可以减少上线测量工作量70%以上。研究证明,轻小型激光雷达技术适合短小铁路项目航飞、小范围补飞及既有线测绘等工作。     

地面激光扫描技术在既有铁路勘测中的应用研究

以线路中心线为基本控制线的既有线测量方法施测困难,且对运营干扰大、安全性差、效率低。本文提出了将激光扫描技术应用于既有铁路勘测的数据采集方案和数据处理方法,利用地面三维激光扫描仪Surphaser 25HSX对测区长1 500 m的既有线按照试验施测方案进行了点云数据采集,并结合数据后处理软件Geomagic和Cyclone进行了点云预处理、点云配准及表面建模,提取实时线路中心线与原始航测底图进行对比分析,对试验数据做了精度分析。试验研究表明:采用合理的标靶设置和测站布设,三维激光扫描所得点云数据可满足既有线勘测设计需要,并且能提高获取原始数据的效率,保证了数据质量,降低了数据处理的复杂程度,测量方式更安全且信息丰富。     

布料模拟滤波方法在铁路勘测LiDAR中的应用

利用机载LiDAR建立数字高程模型(DEM),点云滤波是至关重要的一环。铁路勘察项目地形复杂多变,传统的点云滤波算法需要根据地形的复杂程度设置不同的参数,且无法适应陡坡、狭长地物和间断的复杂地形场景区域。为提高点云滤波精度,降低参数设置经验门槛,介绍一种基于布料模拟的点云滤波算法(CSF)。该方法通过将原始点云进行倒置,模拟布料覆盖倒置点云表面的物理过程,分析布料粒子节点与邻近激光点之间的相互作用,从而确定布料节点位置产生地面近似值,最后通过比较布料节点生成的近似表面和原始点云之间的距离,以及设置的阈值提取原始点云的地面点。实验结果表明,该方法总误差低于11%,kappa系数优于92%,与传统的点云滤波算法相比,CSF算法具有滤波效果好、参数设置少、普适性强等优点。     

合成孔径雷达干涉测量技术及铁路工程应用分析

研究目的:介绍合成孔径雷达干涉测量新技术的原理、干涉数据几何模式、数据处理流程、高程干涉测量和形变差分干涉测量方法;比较雷达干涉测量技术与当前常用的数字高程模型生产方法,分析铁路地质灾害监测与青藏线多年冻土区形变长期监测应用星载合成孔径雷达差分干涉测量技术的潜力.研究结论:(1)与常用的DEM生产方式相比较,合成孔径雷达干涉测量技术具有一些独特优势,适合快速获取各种范围、高精度、高分辨率的DEM;(2)在铁路勘测设计DEM获取、铁路地质灾害遥感监测和青藏线多年冻土区形变测量等方面应用潜力巨大,建议铁路工程部门开展该技术的应用研究.     

高速铁路轨道控制网高程网测量新方法

目前高速铁路轨道控制网（CPIII）高程网的水准测量方法有德国的中视法和我国的矩形法。但这2种方法在测量实际中的效率并不够高,需进一步改进当前的测量方法提高生产效率。基于高精度的电子水准仪单次测量数据的精度和可靠性高的考虑,提出1种外业测量效率更高的电子水准仪CPIII高程网测量新方法。通过介绍该方法的外业测量原理和数据处理过程,阐述采用该方法获取外业测量数据的可靠性,同时研制该方法的数据处理软件并且用于实例计算。研究结果论证了该方法的可行性,建议在高速铁路工程测量规范修订时引进该方法并在实际工程中应用。     

“无人机+激光雷达”在集通线复测中的应用

传统既有线复测主要采用上线作业方式,利用水准测量或GNSS-RTK技术进行中平和平面测绘,效率较低且存在安全隐患。针对集宁至通辽铁路(集通线)复测任务,提出一种基于"无人机+激光雷达"的铁路既有线测量方法,通过低航高的激光雷达获取高密度既有线点云,经轨迹解算、航带平差、坐标转换后,再采用特殊地面控制标靶对其进行点云精度改化,最终获取了既有线三维中线坐标。为验证精度,选取10 km的既有线点云数据与实测点进行对比,结果显示,该方法获取的三维中线坐标的平面、高程精度分别达到3 cm和3.4 cm,可以满足一般既有线复测的需要。     

西延高铁引入延安地区方案研究

研究目的:为合理选择新建高铁引入山区地形的铁路地区方案,本文通过研究分析西延高铁引入延安地区的方案,应用"帕累托最优"思想进行深入研究,综合考虑地形地貌特点、城市现状及规划、既有铁路设施利用、客流服务能力等因素,创新应用新的研究思路进行综合比选、科学决断。研究结论:(1)就线路引入地区方案而言,自西向东有西线、中线(沿既有线通道)、东线三个走向方案,推荐采用中线引入方案;(2)线路沿中线(既有线通道)引入后,针对地区内高铁办理站的选择,研究比选了高铁引入既有延安站和新设高铁站并经延安站两个方案,推荐采用高铁引入既有延安站方案;(3)在确定高铁引入既有延安站方案后,针对既有站改建方案又进一步研究了延安站高普共站办理合场、分场及延安站、延安北站高普分站办理三个方案,推荐采用延安站、延安北站高普分站办理方案;(4)本研究结论可为新建高铁引入带状山区地形的铁路枢纽或地区布局方案和选择提供参考和借鉴。     

基于激光雷达的高铁路基正常高测量方法

研究目的:在铁路测量工作中,传统水准测量费时费力,GNSS水准测量只能算是准动态测量方式,GNSS/INS水准测量需要车体经过已知控制点且只能获取载体轨迹点处正常高。以GNSS/INS和车载激光雷达为核心传感器的车载移动测量系统可以快速获取包含三维空间信息的点云数据,经过融合处理后可以得到对应的大地坐标。本文研究如何基于车载激光雷达快速、精确地获取大量未知点的正常高,介绍其中涉及的各种误差并分析其影响,除考虑趋势误差项和随机误差项外,还根据车载激光雷达测量原理建立常数项误差项。针对其中趋势项和随机项误差,建立二次项拟合模型进行处理。针对常数项误差项,利用未参与解算的CPⅢ控制点信息进行常数项误差的改正。研究结论:(1)移动测量系统能以近乎动态连续的方式快速获取大量未知点的正常高,相比于传统水准测量等测量方式,获取高程点的数量和效率都明显提升;(2)常数项误差对高程精度也有很大影响,本文试验结果与精密水准测量测得的检核点高程对比得:常数项误差改正前计算出的扫描点正常高的标准差为0.074 m,最大偏差绝对值为0.115 m;改正后扫描点正常高的标准差为0.002 m,最大偏差绝对值为0.006 m;(3)基于激光雷达的高铁路基正常高快速测量方法测量效率完全能够满足铁路建设作业的精度要求,同时也可大大提升作业效率,在铁路路基高程维护和检修方面起到重要作用。     

山区高速铁路二等三角高程测量新方法的应用研究

结合山区高速铁路二等水准测量工程，提出一种采用两台测量机器人进行中间法同时对向三角高程测量的新方法，以解决高速铁路施工高程控制测量中地形复杂、高差大、高程控制测量效率低或采用传统方法无法测量等问题。通过同时对向和方案优化，最终达到代替几何二等水准测量方法的目的，以提高山区高程控制测量精度和外业测量效率。     

带状区域无人机航测像控点布测方法研究

针对铁路、公路地形图带状测绘的特点和精度要求,选择某长江大桥桥址区为试验测区,进行无人机航测大比例带状地形图像控点布设方法试验研究,提出一种适用于带状区域大比例(1∶500~1∶2 000)地形图测绘的"平行于线路中线多排均匀布控法"。试验结果显示,当控制点旁向间距不大于500 m、航向间距不大于1 000 m时,空三加密点的平面、高程精度可达到1∶500数字测图的精度标准。外业实测精度检测结果显示:试验测区数字地图的平面和高程精度可达到现行国家和行业相关规范中1∶1 000比例地形图的精度标准。     

赞比亚高速公路控制测量技术研究

为了解决赞比亚当地UTM坐标系统投影变形大、已知点精度低、兼容性差等问题,以当地某高速公路控制测量项目为研究对象,设计了一种基于高斯投影的任意带抵偿坐标系,其工程区域内投影长度变形最大值小于25 mm/km,满足《公路勘测规范》的技术要求;提出了分级布网、分区段控制和相邻区段之间搭接联测的公路GPS平面控制测量方案,较好地解决了已知点坐标兼容性差的问题;利用GPS控制测量获得的大地高数据,对单程水准测量高差进行检核,解决了已知水准点精度低的问题;一级导线采用快速静态测量方法,提高了外业测量效率。利用当地高速公路工程控制测量的实测数据,验证了该方法的可靠性和有效性,研究成果可供其它类似海外公路工程测量项目参考。     

地面激光雷达用于既有铁路危岩调查的应用实例

以我国建设难度最高的宜昌至万州铁路沿线高危路段的隧道出入口作为调查对象,采用无接触测量手段,使用地面激光雷达对危岩悬崖进行观测及数据采集,并对采集的点云数据及影像数据进行处理分析,得到调查对象的数字高程模型及三维真彩色模型。根据用户需求,提供纵断面、隧道地形、危岩位置等成果数据。     

千寻位置在铁路勘测中的应用研究

为了发挥千寻位置服务的优势和特点,拓展其在铁路勘测及运营全过程中的应用,利用"千寻知寸"服务,研究在已建立勘测控制网区域内进行铁路勘测的应用方法。其基本思想为:通过已知的当地坐标和千寻位置采集的大地坐标,建立点校正,直接实现坐标转换,在控制点的检核满足限差要求后,开展勘察测量工作。分析了"千寻知寸"在铁路勘测中的定位精度以及测量点位的误差传递规律,并结合项目实例验证了所提应用思路的可行性。结果表明:"千寻知寸"可为铁路勘测提供厘米级的定位精度,满足常规铁路的勘测需求;但其测量精度受既有基线测量误差的影响,离起算点越远误差越大,在使用过程中应合理选择起算点;以"千寻知寸"RTK测量的结果解算控制网各控制点坐标,平面及高程方向分别存在约2 cm和3 cm的固定误差。