基于lidar軌道點云數(shù)據(jù)的既有鐵路測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于鐵路測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于LIDAR軌道點云數(shù)據(jù)的既有鐵 路測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鐵道線路（包括鋼軌與路基）是鐵路運營最重要的基礎(chǔ)設(shè)施，軌道直接受車輛輪 對傳來的巨大壓力，導致其產(chǎn)生各種變形，影響列車的高速平穩(wěn)運行。軌道的變形采用不平 順進行描述。軌道不平順是指軌道的幾何形狀，尺寸和空間相對位置相對于其正常的狀態(tài) 的偏差。
[0003] 評估線路的平順性的前提是獲得線路的空間位置狀態(tài)，這就要求對既有鐵路線路 進行復測。傳統(tǒng)的基于漸伸線原理的平面曲線測量方法，在實際操作中，曲線上測點的波 動量誤差較大，已基本上被淘汰?；谌緝x和水準儀測量軌道中心的平面位置和軌頂高 程的坐標法，目前成為鐵道既有線復測的主要測量方法。但是全站儀任意點置鏡法存在兩 個問題：一是難以確定兩個軌道之間的實際中心，需要用鋼尺或者軌尺測量，這樣的方法費 時，費力，且測量精度較低，成本較高。二是全站儀需要放置在整個區(qū)段可見的范圍內(nèi)，在線 路不透視或置鏡條件受限的條件下，任意點置鏡需要設(shè)置很多的轉(zhuǎn)點，計算過程較為繁瑣。 并會引起較大的測量誤差。繼而導致該方法主要應用于單個曲線的測量，難以實現(xiàn)到線路 的連續(xù)測量。因此，測量次數(shù)少，計算復雜度低、測量長度可變的基于軌道點云數(shù)據(jù)既有鐵 路測量方法具有重要的研究意義和應用價值。
[0004] LIDAR即Light Detection And Ranging,中文為激光雷達，是一種集激光測距、數(shù) 字航空攝影、全球定位系統(tǒng)（GPS)和慣性導航系統(tǒng)（INS)等多種尖端技術(shù)于一身的空間測 量系統(tǒng)。近年來，其快速獲得三維數(shù)據(jù)的能力正在被廣泛關(guān)注。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種基于LIDAR軌道點云數(shù)據(jù)的既有鐵路測量方法，克服現(xiàn) 有既有線測量靈活性差、測量長度受限、作業(yè)人員上道作業(yè)次數(shù)較多的問題。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0007] 基于LIDAR軌道點云數(shù)據(jù)的既有鐵路測量方法，其特征在于：
[0008] 所述軌道點云為車載LIDAR測量儀在沿軌道行駛過程中所記錄下的連續(xù)三維坐 標數(shù)據(jù)，包含左軌和右軌數(shù)據(jù)；
[0009] 測量方法具體包括以下步驟：
[0010] 步驟一：左右軌分別按照一定的長度，提取兩軌的中心線；
[0011] 步驟二：平移左右軌中心線得到線路中心線，即將左軌中心線右移717. 5mm，右軌 中心線左移717. 5mm ;
[0012] 步驟三：計算線路中心線的定長弦斜率：
[0013] 以步驟二產(chǎn)生的新數(shù)據(jù)點集，通過兩兩之間作差求斜率，產(chǎn)生定長弦斜率序列，并 采用rlowess方法進行濾波處理，對連續(xù)曲線進行分段處理；
[0014] 步驟四：在平滑定長弦斜率的基礎(chǔ)上，拾取相應的分段點，將連續(xù)的線路分解成若 干個曲線單元；
[0015] 步驟五：根據(jù)步驟四得出的每一單元的前后夾直線求出曲線的交點JD，采用圓族 方法逐漸擴大半徑，通過最小二乘法擬合出線路圓曲線部分的半徑和圓心，從而解算出相 應的線路參數(shù)和里程。
[0016] 步驟一中：
[0017] 左右軌分別按照一定的長度，從原始點集中順序提取η個數(shù)據(jù)，根據(jù)最小二乘法 提取兩軌的中心線；
【主權(quán)項】
1. 基于LIDAR軌道點云數(shù)據(jù)的既有鐵路測量方法，其特征在于： 所述軌道點云為車載LIDAR測量儀在沿軌道行駛過程中所記錄下的連續(xù)三維坐標數(shù) 據(jù)，包含左軌和右軌數(shù)據(jù)； 測量方法具體包括以下步驟： 步驟一：左右軌分別按照一定的長度，提取兩軌的中心線； 步驟二：平移左右軌中心線得到線路中心線，即將左軌中心線右移717. 5_，右軌中心 線左移717. 5mm ; 步驟三：計算線路中心線的定長弦斜率： 以步驟二產(chǎn)生的新數(shù)據(jù)點集，通過兩兩之間作差求斜率，產(chǎn)生定長弦斜率序列，并采用 rlowess方法進行濾波處理，對連續(xù)曲線進行分段處理； 步驟四：在平滑定長弦斜率的基礎(chǔ)上，拾取相應的分段點，將連續(xù)的線路分解成若干個 曲線單元； 步驟五：根據(jù)步驟四得出的每一單元的前后夾直線求出曲線的交點JD，采用圓族方法 逐漸擴大半徑，通過最小二乘法擬合出線路圓曲線部分的半徑和圓心，從而解算出相應的 線路參數(shù)和里程。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于LIDAR軌道點云數(shù)據(jù)的既有鐵路測量方法，其特征在 于： 步驟一中： 左右軌分別按照一定的長度，從原始點集中順序提取η個數(shù)據(jù)，根據(jù)最小二乘法提取 兩軌的中心線；
式中，η表示參與擬合的點，以6m為默認采樣間隔，根據(jù)測量儀的參數(shù)計算得出Im范 圍內(nèi)包含300個三維點數(shù)據(jù)，即η = 1800。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于LIDAR軌道點云數(shù)據(jù)的既有鐵路測量方法，其特征在 于： 步驟二中，按照如下規(guī)則得到線路中心線： 式中：
d = 717. 5mm ； Θ為該段直線與X軸方向的夾角； V的取值如下表所示： O
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于LIDAR軌道點云數(shù)據(jù)的既有鐵路測量方法，其特征在 于： 步驟三中，按照如下規(guī)則進行濾波處理：
式中： 界1表不每一個點在局部范圍內(nèi)的權(quán)值； MD為局部范圍內(nèi)的絕對離差； 1^表不每一個點在局部范圍內(nèi)的定長斜率值； i表示定長斜率序列的計數(shù)單位。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于LIDAR軌道點云數(shù)據(jù)的既有鐵路測量方法，其特征在 于： 步驟三中，所述定長弦斜率序列，相較于原數(shù)據(jù)集少一個點，分段完成后，將分段位置 后移一位。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于LIDAR軌道點云數(shù)據(jù)的既有鐵路測量方法，其特征在 于： 步驟五中，通過最小二乘法擬合出線路圓曲線部分得到曲線要素后，在曲線坐標系下， 計算曲線特征點坐標：
式中： β。為緩和曲線的切線角，即HY(或YH)點的切線與ZH(或HZ)點切線的交角，亦 / ]8〇° 即圓曲線一端延長線部分所對應的圓心角，(XiYy為交點坐標，即 9 (((R+P) · sec α /2 · sin a +m)，0)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于LIDAR軌道點云數(shù)據(jù)的既有鐵路測量方法，其特征在 于： 步驟五中，得到線路參數(shù)后，循環(huán)迭代線路中的每一個坐標點，求出對應的曲線要素點 坐標和相應的里程數(shù)，并根據(jù)已知的精確坐標對計算出的結(jié)果進行平差計算。
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于LIDAR軌道點云數(shù)據(jù)的既有鐵路測量方法?，F(xiàn)有既有線測量靈活性差、測量長度受限。本發(fā)明由車載LIDAR測量儀在沿軌道行駛過程中記錄下連續(xù)三維坐標數(shù)據(jù)作為軌道點云數(shù)據(jù)；提取兩軌中心線，平移得到線路中心線，計算其定長弦斜率：以新數(shù)據(jù)為點集作差求斜率，產(chǎn)生定長弦斜率序列進行濾波處理；在平滑定長弦斜率的基礎(chǔ)上，拾取分段點將連續(xù)線路分解成曲線單元；根據(jù)各單元前后夾直線求出曲線的交點，擬合出線路圓曲線部分的半徑和圓心，解算出相應的線路參數(shù)和里程。本發(fā)明根據(jù)LIDAR激光點云數(shù)據(jù)，通過構(gòu)造線路曲線要素的基本單元集，達到線路重構(gòu)和復測的目的，靈活性強、測量效率高、過程簡單，測量數(shù)據(jù)的準確、可靠。
【IPC分類】G01B21-00, G01C22-00
【公開號】CN104634298
【申請?zhí)枴緾N201510079193
【發(fā)明人】李飛, 任曉春, 羅文彬
【申請人】中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年2月13日