基于LIDAR轨道点云数据的既有铁路测量方法技术

本发明专利技术涉及基于LIDAR轨道点云数据的既有铁路测量方法。现有既有线测量灵活性差、测量长度受限。本发明专利技术由车载LIDAR测量仪在沿轨道行驶过程中记录下连续三维坐标数据作为轨道点云数据；提取两轨中心线，平移得到线路中心线，计算其定长弦斜率：以新数据为点集作差求斜率，产生定长弦斜率序列进行滤波处理；在平滑定长弦斜率的基础上，拾取分段点将连续线路分解成曲线单元；根据各单元前后夹直线求出曲线的交点，拟合出线路圆曲线部分的半径和圆心，解算出相应的线路参数和里程。本发明专利技术根据LIDAR激光点云数据，通过构造线路曲线要素的基本单元集，达到线路重构和复测的目的，灵活性强、测量效率高、过程简单，测量数据的准确、可靠。

【技术实现步骤摘要】
基于LIDAR轨道点云数据的既有铁路测量方法
本专利技术属于铁路测量
，具体涉及一种基于LIDAR轨道点云数据的既有铁路测量方法。
技术介绍
铁道线路(包括钢轨与路基)是铁路运营最重要的基础设施，轨道直接受车辆轮对传来的巨大压力，导致其产生各种变形，影响列车的高速平稳运行。轨道的变形采用不平顺进行描述。轨道不平顺是指轨道的几何形状，尺寸和空间相对位置相对于其正常的状态的偏差。评估线路的平顺性的前提是获得线路的空间位置状态，这就要求对既有铁路线路进行复测。传统的基于渐伸线原理的平面曲线测量方法，在实际操作中，曲线上测点的波动量误差较大，已基本上被淘汰。基于全站仪和水准仪测量轨道中心的平面位置和轨顶高程的坐标法，目前成为铁道既有线复测的主要测量方法。但是全站仪任意点置镜法存在两个问题：一是难以确定两个轨道之间的实际中心，需要用钢尺或者轨尺测量，这样的方法费时，费力，且测量精度较低，成本较高。二是全站仪需要放置在整个区段可见的范围内，在线路不透视或置镜条件受限的条件下，任意点置镜需要设置很多的转点，计算过程较为繁琐。并会引起较大的测量误差。继而导致该方法主要应用于单个曲线的测量，难以实现到线路的连续测量。因此，测量次数少，计算复杂度低、测量长度可变的基于轨道点云数据既有铁路测量方法具有重要的研究意义和应用价值。LIDAR即LightDetectionAndRanging，中文为激光雷达，是一种集激光测距、数字航空摄影、全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)等多种尖端技术于一身的空间测量系统。近年来，其快速获得三维数据的能力正在被广泛关注。专利技术内容本专利技术的目的是提供一种基于LIDAR轨道点云数据的既有铁路测量方法，克服现有既有线测量灵活性差、测量长度受限、作业人员上道作业次数较多的问题。本专利技术所采用的技术方案是：基于LIDAR轨道点云数据的既有铁路测量方法，其特征在于：所述轨道点云为车载LIDAR测量仪在沿轨道行驶过程中所记录下的连续三维坐标数据，包含左轨和右轨数据；测量方法具体包括以下步骤：步骤一：左右轨分别按照一定的长度，提取两轨的中心线；步骤二：平移左右轨中心线得到线路中心线，即将左轨中心线右移717.5mm，右轨中心线左移717.5mm；步骤三：计算线路中心线的定长弦斜率：以步骤二产生的新数据点集，通过两两之间作差求斜率，产生定长弦斜率序列，并采用rlowess方法进行滤波处理，对连续曲线进行分段处理；步骤四：在平滑定长弦斜率的基础上，拾取相应的分段点，将连续的线路分解成若干个曲线单元；步骤五：根据步骤四得出的每一单元的前后夹直线求出曲线的交点JD，采用圆族方法逐渐扩大半径，通过最小二乘法拟合出线路圆曲线部分的半径和圆心，从而解算出相应的线路参数和里程。步骤一中：左右轨分别按照一定的长度，从原始点集中顺序提取n个数据，根据最小二乘法提取两轨的中心线；式中，n表示参与拟合的点，以6m为默认采样间隔，根据测量仪的参数计算得出1m范围内包含300个三维点数据，即n＝1800。步骤二中，按照如下规则得到线路中心线：式中：d＝717.5mm；θ为该段直线与X轴方向的夹角；v的取值如下表所示：步骤三中，按照如下规则进行滤波处理：式中：wi表示每一个点在局部范围内的权值；MAD为局部范围内的绝对离差；ri表示每一个点在局部范围内的定长斜率值；i表示定长斜率序列的计数单位。步骤三中，所述定长弦斜率序列，相较于原数据集少一个点，分段完成后，将分段位置后移一位。步骤五中，通过最小二乘法拟合出线路圆曲线部分得到曲线要素后，在曲线坐标系下，计算曲线特征点坐标：ZH点：HY点：QZ点：YH点：HZ点：式中：β0为缓和曲线的切线角，即HY(或YH)点的切线与ZH(或HZ)点切线的交角，亦即圆曲线一端延长线部分所对应的圆心角，(Xjd，Yjd)为交点坐标，即(((Rs+P1)·secα/2·sinα+m1)，0)。步骤五中，得到线路参数后，循环迭代线路中的每一个坐标点，求出对应的曲线要素点坐标和相应的里程数，并根据已知的精确坐标对计算出的结果进行平差计算。本专利技术具有以下优点：本专利技术提出的一种基于LIDAR轨道点云数据的既有铁路测量方法，利用车载LIDAR技术，采集数据，通过对数据处理、提取轨道中心线并进行铁路既有线的平面和纵断面的分段和重构，适合计算任意长度的线路数据，线路的长度不受限制。该方法具有简单便捷的时效性，测量过程不需要人为干预或只包含极少的人工辅助。附图说明图1为本专利技术基于轨道点云数据既有铁路测量方法的流程图。图2为本专利技术左右轨道点云数据计算线路中心线的示意图。图3为本轨道线路中心线定长弦斜率变化示意图。图4为线路某一单元平面分段算法的示意图。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术进行详细的说明。本专利技术涉及的基于LIDAR轨道点云数据的既有铁路测量方法，是一种基于轨道点云数据的既有铁路复测方法，所述轨道点云为车载LIDAR测量仪在沿轨道行驶过程中所记录下的连续三维坐标数据，包含左轨和右轨数据，测量方法具体包括以下步骤：步骤一：左右轨分别按照一定的长度，提取两轨的中心线。左右轨分别按照一定的长度，从原始点集中顺序提取n个数据，根据最小二乘法提取两轨的中心线；式中，n表示参与拟合的点，以6m为默认采样间隔，根据测量仪的参数计算得出1m范围内包含300个三维点数据，即n＝1800。步骤二：平移左右轨中心线得到线路中心线，即将左轨中心线右移717.5mm，右轨中心线左移717.5mm。按照如下规则得到线路中心线：式中：d＝717.5mm；θ为该段直线与X轴方向的夹角；v的取值如下表所示：步骤三：计算线路中心线的定长弦斜率：以步骤二产生的新数据点集，通过两两之间作差求斜率，产生定长弦斜率序列，并采用rlowess方法(稳健型局部加权滑动最小二乘法)进行滤波处理，以便对连续曲线进行分段处理。按照如下规则进行滤波处理：式中：wi表示每一个点在局部范围内的权值；MAD为局部范围内的绝对离差；ri表示每一个点在局部范围内的定长斜率值；i表示定长斜率序列的计数单位。所述定长弦斜率序列，相较于原数据集少一个点，分段完成后，将分段位置后移一位。步骤四：在平滑定长弦斜率的基础上，拾取相应的分段点，将连续的线路分解成若干个曲线单元。根据定长弦斜率——点号图，可以很容易的辨别出夹直线的所在点号，从而将连续的线路分解成若干个曲线单元。步骤五：根据步骤四得出的每一单元的前后夹直线求出曲线的交点JD，采用圆族方法逐渐扩大半径，通过最小二乘法拟合出线路圆曲线部分的半径和圆心，从而解算出相应的线路参数和里程。通过最小二乘法拟合出线路圆曲线部分得到曲线要素后，在曲线坐标系下，计算曲线特征点坐标：ZH点：HY点：QZ点：YH点：HZ点：式中：β0为缓和曲线的切线角，即HY(或YH)点的切线与ZH(或HZ)点切线的交角，亦即圆曲线一端延长线部分所对应的圆心角，(Xjd，Yjd)为交点坐标，即(((Rs+P1)·secα/2·sinα+m1)，0)。得到线路参数后，循环迭代线路中的每一个坐标点，求出对应的曲线要素点坐标和相应的里程数，并根据已知的精确坐标对计算出的结果进行平差计算。本专利技术方法并不限定于车载LIDAR测量仪的既有线点云数据本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于LIDAR轨道点云数据的既有铁路测量方法，其特征在于：所述轨道点云为车载LIDAR测量仪在沿轨道行驶过程中所记录下的连续三维坐标数据，包含左轨和右轨数据；测量方法具体包括以下步骤：步骤一：左右轨分别按照一定的长度，提取两轨的中心线；步骤二：平移左右轨中心线得到线路中心线，即将左轨中心线右移717.5mm，右轨中心线左移717.5mm；步骤三：计算线路中心线的定长弦斜率：以步骤二产生的新数据点集，通过两两之间作差求斜率，产生定长弦斜率序列，并采用rlowess方法进行滤波处理，对连续曲线进行分段处理；步骤四：在平滑定长弦斜率的基础上，拾取相应的分段点，将连续的线路分解成若干个曲线单元；步骤五：根据步骤四得出的每一单元的前后夹直线求出曲线的交点JD，采用圆族方法逐渐扩大半径，通过最小二乘法拟合出线路圆曲线部分的半径和圆心，从而解算出相应的线路参数和里程。

【技术特征摘要】
1.基于LIDAR轨道点云数据的既有铁路测量方法，其特征在于：所述轨道点云为车载LIDAR测量仪在沿轨道行驶过程中所记录下的连续三维坐标数据，包含左轨和右轨数据；测量方法具体包括以下步骤：步骤一：左右轨分别按照一定的长度，提取两轨的中心线；步骤二：平移左右轨中心线得到线路中心线，即将左轨中心线右移717.5mm，右轨中心线左移717.5mm；步骤三：计算线路中心线的定长弦斜率：以步骤二产生的新数据点集，通过两两之间作差求斜率，产生定长弦斜率序列，并采用rlowess方法进行滤波处理，对连续曲线进行分段处理；步骤四：在平滑定长弦斜率的基础上，拾取相应的分段点，将连续的线路分解成若干个曲线单元；步骤五：根据步骤四得出的每一单元的前后夹直线求出曲线的交点JD，采用圆族方法逐渐扩大半径，通过最小二乘法拟合出线路圆曲线部分的半径和圆心，从而解算出相应的线路参数和里程。2.根据权利要求1所述的基于LIDAR轨道点云数据的既有铁路测量方法，其特征在于：步骤一中：左右轨分别按照一定的长度，从原始点集中顺序提取n个数据，根据最小二乘法提取两轨的中心线；式中，n表示参与拟合的点，以6m为默认采样间隔，根据测量仪的参数计算得出1m范围内包含300个三维点数据，即n＝1800。3.根据权利要求2所述的基于LIDAR轨道点云数据的既有铁路测量方法，其特征在于：步骤二中，按照如下规则得到线路中心线：

【专利技术属性】
技术研发人员：李飞，任晓春，罗文彬，
申请(专利权)人：中铁第一勘察设计院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61