專利名稱：一種高速鐵路快速精密測量和全要素數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及精密鐵路測量和高速鐵路軌道檢測、安全及數(shù)字鐵路領(lǐng)域，特別是一 種基于高精度全球定位系統(tǒng)GPS和慣性測量裝置IMU定位定向、激光掃描和數(shù)碼成像技術(shù) 的高速鐵路移動精密測量并同時獲取鐵路沿線全要素數(shù)據(jù)的系統(tǒng)及方法，本發(fā)明還涉及一 種鐵路專用的配套測量標(biāo)識。
背景技術(shù)：
高速鐵路已經(jīng)成為當(dāng)今人們交通出行和運輸?shù)闹匾绞?，近年來隨著高速鐵路技 術(shù)的不斷成熟和完善，高速鐵路的運行速度不斷提高，周期性地進行鐵軌變形和路基沉降 監(jiān)測，確保高速鐵路的安全性，是高速鐵路正常運營的基礎(chǔ)。通常高速鐵路的運營每天將有 三小時的“空窗”時間，是高速鐵路安全檢查的最佳時機。因此，如何利用有限的時間，快速 精確地測量高速鐵路的現(xiàn)狀是當(dāng)前急需解決的技術(shù)問題。同時，隨著鐵路信息化進程的不 斷加快，快速完整精確地采集鐵路沿線全要素數(shù)據(jù)，實現(xiàn)鐵路數(shù)字化，也對現(xiàn)有的技術(shù)和方 法提出了挑戰(zhàn)。目前，鐵路的軌道檢測主要是使用軌檢車來完成的。軌檢車應(yīng)用光學(xué)、磁學(xué)和電學(xué) 原理，通過不同的傳感器把軌距幾何量值的變化轉(zhuǎn)換成電容、電感和電流或電壓等電氣參 數(shù)的變化，實現(xiàn)動態(tài)條件下軌距的無接觸測量。這種方式的缺點是，只能檢測軌道幾何形 位，從輪軌相互作用和行車平穩(wěn)性等方面對軌道狀態(tài)作出評價，無法提供定位測量結(jié)果，更 無法與高速鐵路軌道控制網(wǎng)(如CPIII基樁控制網(wǎng))進行聯(lián)測。如果進行聯(lián)測平差，則使用傳統(tǒng)的全站儀設(shè)備，逐站間斷式進行測量，不僅測量效 率低，測量精度也很難達到高速鐵路對技術(shù)精度的要求。美國在2008年3月12日公開的公開號為101142462的發(fā)明專利，公開了一種用 于檢查鐵路軌道的系統(tǒng)和方法，內(nèi)容摘要如下“所公開的系統(tǒng)包括激光器、照相機和處理 器。激光器位于軌道附近。激光器發(fā)射光束越過鐵路軌道，而照相機俘獲其上具有發(fā)射的 光束的鐵路軌道的圖像。處理器格式化圖像以使它們可以被分析，從而確定鐵路軌道的各 種不同的可測量方面?！边@種方法的缺陷在于精度有限，難以滿足高速鐵路軌道測量對精度 的要求，同時由于使用激光器、照相機進行測量的范圍有限，如果進行長距離測量則需要安 裝多套設(shè)備，實現(xiàn)困難，因此無法在高速鐵路上進行大規(guī)模推廣和使用。同時，其測量結(jié)果 是單點式的，無法用于軌道平順度和整體沉降的計算。此外，在2007年8月29日公開的發(fā)明專利申請101024400中，披露了一種高速鐵 路軌道安全自動測量監(jiān)控技術(shù)，其內(nèi)容摘要如下；“通過在鐵路路基上安裝測量基準(zhǔn)樁，在 測量基準(zhǔn)樁上安裝位移傳感器，用位移傳感器來測量鐵路軌道與測量基準(zhǔn)樁之間相對位移 的方法得到鐵路軌道靜態(tài)、動態(tài)位移信息數(shù)據(jù)，位移信息數(shù)據(jù)通過位移信息模塊傳輸?shù)浇K 端接收顯示器里，由終端接收顯示器顯示出鐵路軌道的靜態(tài)、動態(tài)沉降、傾斜變化數(shù)據(jù)，達 到預(yù)防由于鐵路軌道發(fā)生靜態(tài)、動態(tài)沉降、傾斜引發(fā)的列車出軌事故的目的。”但是，這種方 式得到的觀測值是離散的，其精確度嚴(yán)重依賴于位移傳感器的敏感度和質(zhì)量，同時，監(jiān)測的質(zhì)量還取決于測量基準(zhǔn)樁的安裝密度，不僅成本高，而且也無法完全避免安全隱患。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是如何快速高效地進行高精度高速鐵路測量和全要 素數(shù)據(jù)采集的問題。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是使用專門為鐵路設(shè)計的測量標(biāo)識在 高速鐵路軌道控制網(wǎng)(如CPIII基樁控制網(wǎng))上進行布標(biāo)，在運動平臺上，如電平車或火車 等，安裝高速鐵路移動測量系統(tǒng)，包括激光掃描儀、高速數(shù)碼成像設(shè)備和GPS/IMU定位定向 系統(tǒng)，獲取高速鐵路軌道、路基、鐵路專用測量標(biāo)識及其他周邊地物的影像、激光點云和定 位定向數(shù)據(jù)，通過與軌道控制網(wǎng)(如CPIII基樁控制網(wǎng))的控制點進行聯(lián)合平差計算等數(shù) 據(jù)處理過程，獲取高精度的高速鐵路三維點云和大地定向影像數(shù)據(jù)。本發(fā)明的內(nèi)容包括高速鐵路移動精密測量及全要素數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)和鐵路專用測 量標(biāo)識。方法包括基于高精度GPS/IMU定位定向、激光掃描和數(shù)碼成像技術(shù)的高速鐵路移 動測量方法和通過將測量結(jié)果與軌道控制網(wǎng)(如CPIII基樁控制網(wǎng))的控制點進行聯(lián)合平 差提高測量精度的方法。本發(fā)明的高速鐵路移動精密測量系統(tǒng)由激光掃描儀1、數(shù)碼成像設(shè)備2、GPS接收 器3、IMU慣性測量裝置4、工業(yè)計算機5和供電裝置6六個部分組成。系統(tǒng)高度集成，安裝 在運動平臺7上，運動平臺7沿著高速鐵路線運動，工業(yè)計算機5 —方面通過程序控制激光 掃描儀1、數(shù)碼成像設(shè)備2、GPS接收器3、IMU慣性測量裝置4的工作，另一方面也將采集的 激光點云、數(shù)碼影像及GPS/IMU定向定位數(shù)據(jù)存儲起來。供電裝置6為激光掃描儀1、數(shù)碼 成像設(shè)備2、GPS接收器3、IMU慣性測量裝置4、工業(yè)計算機5提供電力保障。激光掃描儀1 是一種主動采集地面數(shù)據(jù)的方式，抗天氣干擾能力強，不受太陽高度角影響，白天和黑夜都 能工作。數(shù)碼成像設(shè)備2可選用高速數(shù)碼相機或紅外相機，數(shù)碼相機可用于白天獲取彩色 影像數(shù)據(jù)，紅外相機用于夜間獲取紅外影像，也可考慮數(shù)碼相機和高亮度照明設(shè)備配合使 用用于夜間獲取彩色數(shù)碼影像?；诟呔菺PS/IMU定位定向、激光掃描和數(shù)碼成像技術(shù)的高速鐵路軌道移動測 量方法，由集成到運動平臺7上的高速鐵路移動精密測量系統(tǒng)實現(xiàn)，包括激光掃描儀1、數(shù) 碼成像設(shè)備2、GPS接收器3、IMU慣性測量裝置4、工業(yè)計算機5和供電裝置6六個部分。運 動平臺7可以以高達每小時40公里的速度沿著高速鐵路線前進，在運動中獲取高速鐵路鐵 軌、路基和周邊地物的激光點云、數(shù)碼影像和定位定向數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理軟件解算后，得 到高速鐵路的三維點云和相匹配的大地定向影像。為保證數(shù)據(jù)精度達到毫米級，本發(fā)明的高速鐵路移動精密測量系統(tǒng)采用的激光掃 描儀⑴的測量頻率應(yīng)大于50萬點/秒，測距精度小于1毫米，GPS接收器(3)和IMU慣 性測量裝置(4)的定位精度須好于厘米級，數(shù)碼成像設(shè)備(2)中的數(shù)碼相機每秒應(yīng)該能拍 攝數(shù)幀其至數(shù)十幀的數(shù)碼影像。為了使獲取的高速鐵路三維點云更加精確，可通過與軌道控制網(wǎng)(如CPIII基樁 控制網(wǎng))的控制點進行聯(lián)合平差來實現(xiàn)。為了解決移動激光雷達系統(tǒng)的激光發(fā)射多角度和 因隨機激光點導(dǎo)致固定點不確定性的問題，將在軌道控制網(wǎng)上使用專門為鐵路設(shè)計的測量 標(biāo)識進行布標(biāo)。該專用測量標(biāo)識由目標(biāo)球8、對中桿9和固定點標(biāo)識裝置10組成。由此可
5獲取相對精確的標(biāo)識點坐標(biāo)，再與軌道控制網(wǎng)的控制點進行聯(lián)合平差計算，便可使測量數(shù) 據(jù)精度達到毫米級。本發(fā)明的鐵路專用測量標(biāo)識是由目標(biāo)球8、對中桿9和固定點標(biāo)識裝置10組成。 標(biāo)識物使用目標(biāo)球8，解決移動激光雷達系統(tǒng)的激光發(fā)射多角度和因隨機激光點導(dǎo)致的固 定點不確定性問題。目標(biāo)球8的尺寸可根據(jù)實際情況，如移動平臺的運動速度、精度要求、 激光掃描儀參數(shù)等條件選定。本發(fā)明為監(jiān)測高速鐵路軌道變形和路基沉降提供了一套完整的解決方案，系統(tǒng) 集成度高，具有高效率和高精度的特點，使用鐵路專用的激光測量標(biāo)識布設(shè)在軌道控制網(wǎng) (如CPIII基樁控制網(wǎng))的控制點上進行大地聯(lián)測和平差，使得獲取的數(shù)據(jù)精度達到毫米 級，為保障高速鐵路的安全運行提供科學(xué)有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。


圖1是本發(fā)明的高速鐵路移動測量系統(tǒng)的系統(tǒng)示意圖。圖2是與軌道控制網(wǎng)(如CPIII基樁控制網(wǎng))的控制點進行聯(lián)合平差計算的流程 圖。圖3是本發(fā)明的鐵路專用測量標(biāo)識的示意圖。
具體實施例方式圖1是本發(fā)明的高速鐵路移動精密測量系統(tǒng)的系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)由激光掃描儀 1、數(shù)碼成像設(shè)備2、GPS接收器3、IMU慣性測量裝置4、工業(yè)計算機5和供電裝置6組成。供 電裝置6為激光掃描儀1、數(shù)碼成像設(shè)備2、GPS接收器3、IMU慣性測量裝置4、工業(yè)計算機 5提供電力保障。激光掃描儀1、數(shù)碼成像設(shè)備2、GPS接收器3、IMU慣性測量裝置4通過工 業(yè)計算機5控制。系統(tǒng)安裝在運動平臺上7，在運動過程中，由激光掃描儀1發(fā)射激光束并 接收由自然物反射回的激光脈沖，由數(shù)碼成像設(shè)備2拍攝高速鐵路軌道、路基和周邊地物 的影像，由GPS接收器3和IMU慣性測量裝置4獲取移動中每個時刻的定位定向數(shù)據(jù)，以上 數(shù)據(jù)都通過電纜存儲到工業(yè)計算機5，再通過數(shù)據(jù)處理軟件進行解算，得到高精度的高速鐵 路三維點云和大地定向數(shù)碼影像數(shù)據(jù)。圖2是與軌道控制網(wǎng)((如CPIII基樁控制網(wǎng)))的控制點進行聯(lián)合平差計算的流 程圖，步驟如下步驟Sl 在軌道控制網(wǎng)(如CPIII基樁控制網(wǎng))的每個控制點上布設(shè)本發(fā)明的鐵 路專用測量標(biāo)識；步驟S2 使用本發(fā)明的高速鐵路移動測量系統(tǒng)獲取激光點云、原始影像和定位定 向數(shù)據(jù)；步驟S3 經(jīng)過數(shù)據(jù)解算，得到本發(fā)明的鐵路專用測量標(biāo)識的目標(biāo)球8的球面坐 標(biāo)；步驟S4 通過鐵路專用測量標(biāo)識的目標(biāo)球8的球面坐標(biāo)計算每個目標(biāo)球8的中心 點坐標(biāo)；步驟S5 利用鐵路專用測量標(biāo)識的目標(biāo)球8的中心點坐標(biāo)與其標(biāo)識的控制點的數(shù) 學(xué)關(guān)系，計算每個CPIII軌道控制網(wǎng)的標(biāo)識點測量坐標(biāo)；
步驟S6 使用以上標(biāo)識點的測量坐標(biāo)與軌道控制網(wǎng)(如CPIII基樁控制網(wǎng))的控 制點進行聯(lián)合平差，得到誤差改正參數(shù)；步驟S7 解算高速鐵路軌道、路基和周邊地物的三維點云和數(shù)碼影像數(shù)據(jù)，迭代 誤差改正參數(shù)，獲取精度達到毫米級的高速鐵路測量數(shù)據(jù)。圖3是本發(fā)明的鐵路專用測量標(biāo)識的示意圖，由目標(biāo)球8、對中桿9和固定點標(biāo)識 裝置10組成。在軌道控制網(wǎng)(如CPIII基樁控制網(wǎng))的每個控制點都埋入固定點標(biāo)識裝 置10，豎立對中桿9和目標(biāo)球8，如果控制點上已有其他標(biāo)識，可使用其他方法固定本發(fā)明 的鐵路專用測量標(biāo)識，只要保證對中桿9的尖端對準(zhǔn)控制點即可。高速鐵路移動精密測量 系統(tǒng)在運動中發(fā)出的激光從不同角度到達目標(biāo)球8表面后返回激光接收器，結(jié)合GPS/IMU 定位定向數(shù)據(jù)進行解算，獲取多個球面點坐標(biāo)，理論上只需通過球表面的任意三個點的坐 標(biāo)就能計算出球形目標(biāo)物的中心點坐標(biāo)，多余的點可用于平差計算，排除粗差，得到更加精 確穩(wěn)定的目標(biāo)球8中心點坐標(biāo)，從而建立目標(biāo)球8的中心點與固定點標(biāo)識裝置10標(biāo)識的軌 道控制網(wǎng)控制點之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，用于聯(lián)測和平差。
權(quán)利要求
一種高速鐵路移動精密測量系統(tǒng)，由激光掃描儀(1)、數(shù)碼成像設(shè)備(2)、GPS接收器(3)、IMU慣性測量裝置(4)、工業(yè)計算機(5)和供電裝置(6)六個部分組成，其特征在于在移動過程中，由激光掃描儀(1)發(fā)射激光束并接收反射回的激光脈沖，由數(shù)碼成像設(shè)備(2)拍攝高速鐵路軌道、路基和周邊地物的影像，由GPS接收器(3)和IMU慣性測量裝置(4)獲取運動中每個時刻的定位定向數(shù)據(jù)，以上數(shù)據(jù)都通過電纜存儲到工業(yè)計算機(5)，通過數(shù)據(jù)處理軟件進行解算，得到高精度高速鐵路三維點云和經(jīng)大地定向的數(shù)碼影像數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速鐵路移動精密測量系統(tǒng)，其特征在于測量速度可高達 每小時40公里。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的高速鐵路移動精密測量系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)的最佳 測量速度為每小時30公里。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速鐵路移動精密測量系統(tǒng)，其特征在于測量精度可達毫 米級。
5.根據(jù)權(quán)利要求1和4所述的高速鐵路移動精密測量系統(tǒng)，其特征在于為保證數(shù)據(jù) 精度達到毫米級，激光掃描儀(1)的測量頻率應(yīng)大于50萬點/秒，測距精度小于1毫米，CPS 接收器⑶和IMU慣性測量裝置(4)的定位精度好于厘米級，數(shù)碼成像設(shè)備(2)中的數(shù)碼 相機每秒應(yīng)該能拍攝數(shù)幀甚至數(shù)十幀的數(shù)碼影像。
6.一種高速鐵路移動精密測量方法，使用由激光掃描儀(1)、數(shù)碼成像設(shè)備(2)、GPS接 收器(3)、IMU慣性測量裝置(4)、工業(yè)計算機(5)和供電裝置(6)組成的系統(tǒng)，其特征在于 在運動的狀態(tài)下，獲取高速鐵路的激光點云和影像數(shù)據(jù)，聯(lián)合GPS/IMU定位定向數(shù)據(jù)，解算 出高精度高速鐵路三維點云和經(jīng)大地定向的數(shù)碼影像數(shù)據(jù)。
7.一種使用軌道控制網(wǎng)(如CPIII基樁控制網(wǎng))的控制點進行聯(lián)合平差計算提高高速 鐵路移動測量精度的方法，步驟如下步驟Sl 在軌道控制網(wǎng)(如CPIII基樁控制網(wǎng))的每個控制點上布設(shè)本發(fā)明的鐵路專 用測量標(biāo)識；步驟S2 使用本發(fā)明的高速鐵路移動測量系統(tǒng)獲取激光點云、原始影像和定位定向數(shù)據(jù)；步驟S3 經(jīng)過數(shù)據(jù)解算，得到本發(fā)明的鐵路專用測量標(biāo)識的目標(biāo)球(8)的球面坐標(biāo)；步驟S4:通過鐵路專用測量標(biāo)識的目標(biāo)球(8)的球面坐標(biāo)計算每個目標(biāo)球(8)的中心 點坐標(biāo)；步驟S5 利用鐵路專用測量標(biāo)識的目標(biāo)球(8)的中心點坐標(biāo)與其標(biāo)識的控制點的數(shù)學(xué) 關(guān)系，計算每個軌道控制網(wǎng)的標(biāo)識點測量坐標(biāo)；步驟S6 使用以上標(biāo)識點的測量坐標(biāo)與軌道控制網(wǎng)的控制點進行聯(lián)合平差，得到誤差 改正參數(shù)；步驟S7 解算高速鐵路軌道、路基和周邊地物的三維點云和數(shù)碼影像數(shù)據(jù)，迭代誤差 改正參數(shù)，獲取精度達到毫米級的高速鐵路測量數(shù)據(jù)。
8.實現(xiàn)權(quán)利要求7所述的通過軌道控制網(wǎng)(如CPIII基樁控制網(wǎng))進行聯(lián)合平差提高 高速鐵路移動測量數(shù)據(jù)精度的方法使用的鐵路專用測量標(biāo)識，由目標(biāo)球(8)、對中桿(9)和 固定點標(biāo)識裝置(10)組成，其特征是標(biāo)識物使用目標(biāo)球(8)，解決移動激光雷達系統(tǒng)的激 光發(fā)射多角度和因隨機激光點導(dǎo)致的固定點不確定性問題。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鐵路專用測量標(biāo)識，其特征是目標(biāo)球(8)的尺寸可根據(jù)實 際情況，如移動平臺的運動速度、精度要求、激光掃描儀參數(shù)等條件選定。
全文摘要
本發(fā)明涉及精密鐵路測量和高速鐵路軌道檢測、安全及數(shù)字鐵路領(lǐng)域，特別是一種基于GPS/IMU定位定向、激光掃描和數(shù)碼成像技術(shù)的高速鐵路移動精密測量并同時獲取鐵路沿線全要素數(shù)據(jù)的系統(tǒng)及方法，本發(fā)明還涉及一種鐵路專用測量標(biāo)識。系統(tǒng)由激光掃描儀(1)、數(shù)碼成像設(shè)備(2)、GPS接收器(3)、IMU慣性測量裝置(4)、工業(yè)計算機(5)和供電裝置(6)組成，能在運動中獲取高速鐵路軌道、路基及周邊地物的三維點云和經(jīng)大地定向的數(shù)碼影像。方法包括高速鐵路移動精密測量方法和通過與軌道控制網(wǎng)(如CPIII基樁控制網(wǎng))的控制點進行聯(lián)合平差提高測量精度的方法。系統(tǒng)集成度高，具有高效率和高精度的特點，數(shù)據(jù)精度可達毫米級。
文檔編號G01C15/02GK101913368SQ201010250199
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月11日
發(fā)明者唐糧 申請人:唐糧