采用靶標控制網(wǎng)提高車載LiDAR點云數(shù)據(jù)精度的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種采用靶標控制網(wǎng)提高車載LiDAR點云數(shù)據(jù)精度的方法。利用車載LiDAR系統(tǒng)進行鐵路線路測量過程中產(chǎn)生的誤差導致LiDAR點云數(shù)據(jù)不滿足線路測量的精度要求，需要采用靶標控制點對車載LiDAR數(shù)據(jù)的測量誤差進行約束，消除誤差提高精度。本發(fā)明首先確定靶標控制點的布設位置及安裝方法，依托基礎控制網(wǎng)完成靶標控制網(wǎng)的測量與平差計算；根據(jù)掃描點密度的影響因素選擇靶標盒體的大小，確保從點云數(shù)據(jù)中提取靶標控制點坐標的準確性；基于靶標控制點的兩套坐標對點云數(shù)據(jù)進行分段約束平差，實現(xiàn)了點云精度的提高。本發(fā)明使用靶標控制網(wǎng)中的靶標點消除測量誤差，解決了測量誤差造成車載LiDAR點云精度損失的難題。
【專利說明】
采用靶標控制網(wǎng)提高車載L i DAR點云數(shù)據(jù)精度的方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于鐵路建設測繪技術領域，具體涉及一種用于既有鐵路線路復測的靶標控制網(wǎng)建立方法。
【背景技術】
[0002]隨著我國普速鐵路運行速度和頻率的大幅提高，對鐵路運營安全的要求也越來越高，因此以鐵路運營維護測量為依據(jù)的運營鐵路養(yǎng)護維修的需求也逐漸增大。車載三維激光雷達(LiDAR)掃描系統(tǒng)作為一種先進的數(shù)據(jù)獲取手段已備受關注，其數(shù)據(jù)能夠更加直觀、快速的展現(xiàn)和分析鐵路線路情況，對提高測量效率起到關鍵性的作用，是鐵路運營維護測量的一種先進有效的手段。
[0003]然而車載LiDAR掃描系統(tǒng)是一個復雜的集成系統(tǒng)，掃描的數(shù)據(jù)精度受到系統(tǒng)內各個部件的共同影響，誤差來源主要為測量過程中產(chǎn)生的誤差和硬件集成誤差，包括:定位誤差、激光測距誤差、測角誤差、安置角誤差、MU漂移誤差及系統(tǒng)集成誤差、數(shù)據(jù)處理誤差等。這些誤差很大程度上影響了掃描數(shù)據(jù)的精度，為了獲得更高精度的點云數(shù)據(jù)，需要采用控制網(wǎng)中的靶標控制點約束測量誤差，提高車載LiDAR點云數(shù)據(jù)的精度。
[0004]由于LiDAR測量方法獲取的點云數(shù)據(jù)不能和已知點建立精確的對應關系，因此使用靶標控制點建立點云與已知點的對應關系。靶標控制點定義為三個靶標平面的交點，從點云中提取精確的革E標控制點，與實際測量的革E標控制點建立對應關系，通過革E標控制點的兩套坐標建立誤差方程進行約束平差提高點云精度，來獲取滿足運營維護測量精度要求的點云數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種采用靶標控制網(wǎng)提高車載LiDAR點云數(shù)據(jù)精度的方法，可用于長大鐵路的運營線路復測，為線路復測提供高精度的數(shù)據(jù)基礎。
[0006]本發(fā)明所采用的技術方案為:
1、采用靶標控制網(wǎng)提高車載LiDAR點云數(shù)據(jù)精度的方法，其特征在于:
由以下步驟實現(xiàn):
步驟一:確定靶標控制點的布設位置及靶標裝置的安裝方法:
沿鐵路線路兩側均勻布設靶標控制點，并在POS解算精度差或GPS信號易丟失的區(qū)域及鐵路線路的特征點處增設靶標控制點;靶標盒體通過連接螺栓與靶標測量預埋件連接并進行固定，盒體上設置有靶標定位點，安置盒體時靶標定位點始終朝向列車行駛的方向；步驟二:根據(jù)現(xiàn)場工況選擇靶標裝置的大小尺寸:
靶標裝置包含有三個掃描面，即靶標頂面、面行車面和垂直行車面，三面交點即為靶標定位點。根據(jù)掃描點密度的影響因素，計算靶標面上掃描點的間距;為保證靶標定位點的提取精度，根據(jù)工作環(huán)境選擇不同大小的靶標，確保三個掃描靶標面上獲得至少三條掃描線數(shù)據(jù)； 步驟三:完成靶標控制點的測量與平差計算:
完成靶標控制網(wǎng)的施測及平差解算，提供滿足后續(xù)數(shù)據(jù)分析使用的控制網(wǎng)成果； 步驟四:對點云數(shù)據(jù)進行分段約束平差，提高點云的整體精度:
利用外業(yè)實測的精確的靶標控制點坐標，對原始點云數(shù)據(jù)進行分段約束平差，通過平差計算得到更高精度的點云數(shù)據(jù)。
[0007]步驟一中，靶標裝置為靶標盒體，是具有四個面的剛性多面體，包括豎直的背行車面、背行車面一側向下傾斜的靶標頂面、以及靶標頂面下方豎直的面行車面和垂直行車面；靶標頂面、面行車面和垂直行車面相交于一點，該點為靶標定位點；
進行車載LiDAR線路掃描時，靶標盒體通過連接螺栓與靶標測量預埋件連接并進行固定，靶標定位點始終朝向列車行駛的方向；垂直行車面垂直于列車行駛方向，面行車面與列車行駛方向呈30°夾角；當列車行駛方向相反時，靶標裝置旋轉至相反方向，垂直行車面和面行車面進行交換，原面行車面旋轉至垂直列車行駛方向成為新的垂直行車面，原垂直行車面旋轉至與列車行駛方向呈30°夾角的方向，作為新的面行車面。
[0008]步驟二中，掃描點密度的影響因素包括掃描儀測量速率、掃描頻率、列車行駛速度、靶標距掃描儀的距離，靶標離鋼軌的距離小于5米、列車行駛速度小于30 -70km/h。
[0009]步驟四中，點云的分段約束平差由以下步驟實現(xiàn):
獲得掃描測量數(shù)據(jù)及外業(yè)實測數(shù)據(jù)兩套靶標定位點的三維坐標信息，該靶標定位點設計為獲取掃描點的三個靶標面相交的頂點;每個靶標掃描面被認為是三維空間中光滑的二維平面，根據(jù)三維空間平面方程，分別對三個掃描面上的點云數(shù)據(jù)進行擬合，求出三個擬合平面的交點，該點的三維坐標即為革E標定位點的坐標；
使用步驟三中測量及平差計算后獲得的實測靶標定位點坐標和從點云數(shù)據(jù)中提取出的靶標定位點坐標作為兩套坐標間的特征點，按掃描數(shù)據(jù)精度對點云數(shù)據(jù)進行分段，兩相鄰分段之間確保重疊一對以上的靶標數(shù)據(jù)，使用靶標控制點對點云數(shù)據(jù)進行分段約束平差，獲得滿足鐵路線路運營維護測量精度要求的點云數(shù)據(jù)，實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)精度的提高。
[0010]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
本發(fā)明針對狹長帶狀的鐵路線路，提出了根據(jù)鐵路沿線地形、隧道及高路塹的分布情況建立靶標控制網(wǎng)的方法，保證了點云精度控制的進行；
本發(fā)明創(chuàng)新性的提出了使用靶標提高車載三維激光掃描點云數(shù)據(jù)精度的方法，解決了使用車載LiDAR技術進行鐵路線路運營維護測量過程中保證測量精度的關鍵問題，很大程度上克服了車載LiDAR設備造成點云精度損失的缺陷，實現(xiàn)了提高點云精度的目的，使該測量方法可以用于鐵路運營維護測量中。
【附圖說明】
[0011]圖1為靶標控制網(wǎng)的布設示意圖；
圖2為線路掃描過程中測量靶標的安裝方法。
[0012]圖3為靶標裝置主視圖。
[0013]圖4為靶標裝置側視圖。
[0014]圖5為靶標裝置俯視圖。
[0015]圖中，1-靶標盒體，2-背行車面，3-靶標頂面，4-面行車面，5-垂直行車面，6_靶標定位點。
【具體實施方式】
[0016]下面結合【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細的說明。
[0017]本發(fā)明涉及的采用靶標控制網(wǎng)提高車載LiDAR點云數(shù)據(jù)精度的方法，涉及了特殊的靶標裝置結構，靶標裝置為靶標盒體，是具有四個面的剛性多面體，包括豎直的背行車面、背行車面一側向下傾斜的靶標頂面、以及靶標頂面下方豎直的面行車面和垂直行車面；靶標定位點設計為靶標頂面、面行車面和垂直行車面的交點。使用時根據(jù)現(xiàn)場工況，確定標靶的大小、安置位置及安置方向。
[0018]上述方法由以下步驟實現(xiàn):
步驟一:確定靶標控制點的布設位置及靶標裝置的安裝方法:
由于鐵路是既有線路，慣導系統(tǒng)只能在鐵路上通過加減速而無法通過左右交替轉彎進行收斂，因此開始測量后慣導測量單元IMU的漂移無法消除，隨著測量時間的增長，慣導漂移逐漸增大。因此為消除慣導系統(tǒng)誤差及GPS測量誤差，確定靶標控制點的布設位置應沿鐵路線路布設。
[0019]此外，隨著鐵路運營的現(xiàn)代化與自動化，鐵路上埋設的電子、電磁設備越來越多，這些均會干擾頂U的正常工作，一旦頂U運轉失常，會造成POS解算精度大大降低；同時，為獲取鐵路上高密度的點云數(shù)據(jù)，車載掃描設備在列車尾部的安裝高度一般為2.5-4.0m，在如高路塹、隧道中、鐵路邊山體陡峻等區(qū)域，易被周圍較高物體遮擋，出現(xiàn)車載LiDAR系統(tǒng)接收不到GPS信號的情況。因此在POS解算精度差或GPS信號易丟失的區(qū)域，應布設靶標控制點。
[0020]參見圖1，在地面基站控制網(wǎng)的基礎上根據(jù)鐵路沿線隧道、橋梁、路堤、路塹及沿線的高山陡壁、植被對衛(wèi)星信號的遮擋情況，沿鐵路線兩側布設靶標控制網(wǎng)。
[0021]靶標控制點應根據(jù)鐵路沿線地形特征設置于沿線路基、橋梁、隧道、高路塹及陡峻高山附近。一般在視野開闊、鐵路平順、GPS信號強的地段，靶標可布設的稀一些，一般間距為Ikm左右，盡量布設在曲線特征點處或變坡點處。在高山區(qū)隧道群等易造成GPS信號失鎖的地區(qū)，要根據(jù)隧道長度、列車速度計算GPS信號失鎖的時間。當失鎖時間小于2分鐘時POS數(shù)據(jù)精度損失不大，可在隧道進口、出口增設靶標。當GPS失鎖時間大于4分鐘時，需適當增加靶標的布設密度，特別是曲線、雙曲線地段，靶標的布設要控制曲線的走向，應布設在如:直緩點、緩圓點、曲線中間點、圓緩點、緩直點、坡度起閉點等特征點處。
[0022]如圖2，線路掃描過程中靶標盒體通過連接螺栓與靶標測量預埋件連接并進行固定，靶標定位點安裝朝向應隨著列車行駛方向的不同而改變。掃描過程中靶標定位點應朝向列車行駛的方向，同時靶標的垂直行車面需垂直于列車行駛方向，面行車面與列車行駛方向呈30°夾角。當列車行駛方向相反時，靶標盒體應旋轉至相反方向，垂直行車面和面行車面進行交換，原面行車面旋轉至垂直列車行駛方向成為新的垂直行車面，原垂直行車面旋轉至與列車行駛方向呈30°夾角的方向，作為新的面行車面。
[0023]步驟二:根據(jù)現(xiàn)場工況選擇靶標的大小尺寸:
布設的靶標控制點是用來進行點云精度約束的，因此要求靶標控制點具有很高的提取精度。靶標三個掃描面上的掃描點越多則定位精度越高，靶標的提取精度也就越高。
[0024]靶標上的掃描點密度受多個因素的影響:掃描儀測量速率越高、掃描頻率越高，掃描密度越大；列車行駛速度越低、靶標距掃描儀距離越近，掃描密度越大，則靶標面上獲取的點云數(shù)量越多。
[0025]由于在點云中要確定一個靶標面，該面上至少需要三條掃描線點云數(shù)據(jù)，因此測量開始前需根據(jù)上述規(guī)律，計算靶標上的掃描點間距，從而選擇不同尺寸的靶標盒體，以保證革[I標面獲取的點數(shù)量。
[0026]步驟三:完成靶標控制點的測量與平差計算:
完成靶標控制網(wǎng)的施測及平差解算，提供滿足后續(xù)數(shù)據(jù)分析使用的控制網(wǎng)成果； 步驟四:對點云數(shù)據(jù)進行分段約束平差:
對點云進行精度約束的目的就是利用外業(yè)實測的精確的靶標控制點坐標，對原始點云進行分段約束平差，得到更高精度的點云數(shù)據(jù)。因此，進行點云約束需要獲得掃描測量數(shù)據(jù)及外業(yè)實測數(shù)據(jù)兩套靶標定位點的三維坐標信息，該靶標定位點設計為獲取掃描點的三個靶標面相交的頂點。每個靶標面被認為是三維空間中光滑的二維平面，根據(jù)三維空間平面方程，分別對三個面上的點云數(shù)據(jù)進行擬合，并求出三個擬合平面的交點，該點的三維坐標即為靶標定位點的坐標。
[0027]使用步驟三中測量及平差計算后獲得的實測靶標定位點坐標和從點云數(shù)據(jù)中提取出的靶標定位點坐標，按掃描數(shù)據(jù)精度對原始點云數(shù)據(jù)進行分段，兩相鄰分段之間保證重疊一對以上的靶標點，使用靶標點對點云數(shù)據(jù)進行分段約束平差，從而實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)精度的提高，達到滿足鐵路線路運營維護測量精度要求的目的。
[0028]本發(fā)明的內容不限于實施例所列舉，本領域普通技術人員通過閱讀本發(fā)明說明書而對本發(fā)明技術方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權利要求所涵蓋。
【主權項】
1.采用靶標控制網(wǎng)提高車載LiDAR點云數(shù)據(jù)精度的方法，其特征在于: 由以下步驟實現(xiàn): 步驟一:確定靶標控制點的布設位置及靶標裝置的安裝方法: 沿鐵路線路兩側均勻布設靶標控制點，并在POS解算精度差或GPS信號易丟失的區(qū)域及鐵路線路的特征點處增設靶標控制點;靶標盒體通過連接螺栓與靶標測量預埋件連接并進行固定，盒體上設置有靶標定位點，安置盒體時靶標定位點始終朝向列車行駛的方向； 步驟二:根據(jù)現(xiàn)場工況選擇靶標裝置的大小尺寸: 靶標裝置包含有三個掃描面，即靶標頂面、面行車面和垂直行車面，三面交點即為靶標定位點； 根據(jù)掃描點密度的影響因素，計算靶標面上掃描點的間距；為保證靶標定位點的提取精度，根據(jù)工作環(huán)境選擇不同大小的靶標，確保三個掃描靶標面上獲得至少三條掃描線數(shù)據(jù)； 步驟三:完成靶標控制點的測量與平差計算: 完成靶標控制網(wǎng)的施測及平差解算，提供滿足后續(xù)數(shù)據(jù)分析使用的控制網(wǎng)成果； 步驟四:對點云數(shù)據(jù)進行分段約束平差，提高點云的整體精度: 利用外業(yè)實測的精確的靶標控制點坐標，對原始點云數(shù)據(jù)進行分段約束平差，通過平差計算得到更高精度的點云數(shù)據(jù)。2.根據(jù)權利要求1所述的采用靶標控制網(wǎng)提高車載LiDAR點云數(shù)據(jù)精度的方法，其特征在于: 步驟一中，靶標裝置為靶標盒體，是具有四個面的剛性多面體，包括豎直的背行車面、背行車面一側向下傾斜的靶標頂面、以及靶標頂面下方豎直的面行車面和垂直行車面;靶標頂面、面行車面和垂直行車面相交于一點，該點為靶標定位點； 進行車載LiDAR線路掃描時，靶標盒體通過連接螺栓與靶標測量預埋件連接并進行固定，靶標定位點始終朝向列車行駛的方向；垂直行車面垂直于列車行駛方向，面行車面與列車行駛方向呈30°夾角；當列車行駛方向相反時，靶標裝置旋轉至相反方向，垂直行車面和面行車面進行交換，原面行車面旋轉至垂直列車行駛方向成為新的垂直行車面，原垂直行車面旋轉至與列車行駛方向呈30°夾角的方向，作為新的面行車面。3.根據(jù)權利要求1所述的采用靶標控制網(wǎng)提高車載LiDAR點云數(shù)據(jù)精度的方法，其特征在于: 步驟二中，掃描點密度的影響因素包括掃描儀測量速率、掃描頻率、列車行駛速度、靶標距掃描儀的距離，靶標離鋼軌的距離小于5米、列車行駛速度小于30 -70km/h。4.根據(jù)權利要求1所述的采用靶標控制網(wǎng)提高車載LiDAR點云數(shù)據(jù)精度的方法，其特征在于: 步驟四中，點云的分段約束平差由以下步驟實現(xiàn): 獲得掃描測量數(shù)據(jù)及外業(yè)實測數(shù)據(jù)兩套靶標定位點的三維坐標信息，該靶標定位點設計為獲取掃描點的三個靶標面相交的頂點;每個靶標掃描面被認為是三維空間中光滑的二維平面，根據(jù)三維空間平面方程，分別對三個掃描面上的點云數(shù)據(jù)進行擬合，求出三個擬合平面的交點，該點的三維坐標即為革E標定位點的坐標； 使用步驟三中測量及平差計算后獲得的實測靶標定位點坐標和從點云數(shù)據(jù)中提取出的靶標定位點坐標作為兩套坐標間的特征點，按掃描數(shù)據(jù)精度對點云數(shù)據(jù)進行分段，兩相鄰分段之間確保重疊一對以上的靶標數(shù)據(jù)，使用靶標控制點對點云數(shù)據(jù)進行分段約束平差，獲得滿足鐵路線路運營維護測量精度要求的點云數(shù)據(jù)，實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)精度的提高。
【文檔編號】G01S17/88GK105866791SQ201610336068
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月20日
【發(fā)明人】呂慧玲, 任曉春, 田社權, 周東衛(wèi), 李丹
【申請人】中鐵第勘察設計院集團有限公司, 中鐵第一勘察設計院集團有限公司