机载lidar科技在铁路横断面之应用研究

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1、机载LiDAR科技在铁路横断面之应用研究第1章前言1.1选题依据随着数字地球、数字中国、数字城市等概念的深入人心和我国信息化测绘体系建设的进行，以及航空摄影测量与遥感技术的飞速发展与广泛应用，人们对三维地理信息数据更加重视，越来越多的城市规划部门和基础设施建设部门已把数字三维城市的建设纳入到了城市发展规划日程。随之，如何快速、高效地获得三维地理信息数据成为各部门研究的重点。航空摄影测量技术作为地理空间信息获取的一种传统、有效的技术手段，已经经历了模拟摄影测量、解析摄影测量和数字摄影测量等阶段的几十年发展，技术上已经相当成熟。遥感技术在一定程度上对摄影

2、测量技术起到了补充和推动的作用，摄影测量与遥感技术的有机结合已成为地理信息系统（GIS）技术中数据采集和更新的重要手段。与此同时，摄影测量与遥感技术也有许多新的发展，其中机载激光雷达技术（AirborneLightDetectionAndRanging，LiDAR）就是最值得关注的技术之一。随着交通、电力、水利和城市规划等大型工程部门对准确可靠的空间三维地理信息数据的需求越来越多，传统的航测方法在面对快速、高精度、大范围、大批量的海量数据和多样性任务需求时，渐显乏力。机载激光雷达（LiDAR）测量技术作为一种新兴的空间对地观测技术，在三维空间信息的实

3、时获取方面产生了重大突破，引起了测绘等相关行业的浓厚兴趣。最近几年，随着相关技术的发展以及社会需求的不断扩大，机载LiDAR测量技术获得快速发展，机载LiDAR实际上已经代表了对地观测领域一个新的发展方向（张小红，2007）。在我国，铁路是交通体系的骨干，是国民经济大动脉和大众化的交通运输工具，铁路建设是国家的基础设施建设。在大批客运专线铁路建设的同时，高铁技术也出现了良好的时机。铁路建设中不但需要精确勘测和大量现势性强的测绘资料，而且在工程全过程中都需要采用地理信息数据进行辅助决策。而铁路建设的勘测周期短，任务重，地形复杂，加之铁路线路长度一般较长

4、，特别是跨越多省的国家重点项目，动辄几百公里，甚至上千公里，如何快速准确地获取地理信息数据是铁路设计施工中的一个难点。机载LiDAR测量技术作为一项新兴技术，在快速获取数字高程模型（DEM）方面具有其他手段无法相比的优势，很大程度上满足了铁路建设对三维数据的需求。近几年，我国很多部门引进了机载LiDAR系统并投入生产。其中，铁道部第三勘察设计院集团有限公司（铁三院）于2009年5月从瑞士Leica公司购置一套ALS60机载LiDAR系统，并应用于张唐线的建设。截至目前，铁三院机载LiDAR技术已经在张唐铁路线、沈丹客运专线、京沈线、大西客运专线、山西

5、中南部通道、长昆客运专线等多个项目中得到实际应用，并发挥了巨大的作用。机载LiDAR技术的出现和应用，无疑是对航空摄影测量技术提出了挑战，必将引发测绘行业一场新的技术革命。然而，作为一种新的技术，在技术成熟程度和实际应用标准、规范上还存在有很多不完善。鉴于铁路行业对机载LiDAR技术的需求日益增加，开展该项技术在铁路勘测中的应用研究具有十分重要的意义。因此笔者选择此题目，通过一些实际操作经验和实验为该项先进技术的实际应用做些研究工作和提供些实验参考。1.2国内外研究现状机载LiDAR技术一经出现，便成为众多商业机构和学者研究的热点。近几年，国内外对机

6、载LiDAR系统的研究主要集中在系统硬件的开发和数据后处理软件、滤波算法的研究等方面。1.2.1机载LiDAR技术硬件的发展机载激光雷达测量技术源自1970年美国航天局（NASA）的研发（徐祖舰，2009）。20世纪60年代到70年代，人们先后对激光测月、卫星激光测距等技术进行了大量实验，来探讨激光测距技术对地观测应用的可能性。由于早期全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（INS）发展的局限性，机载LiDAR技术发展缓慢。直到20世纪80年代末，随着GPS技术和INS技术的定位精度及系统集成逐步成熟，机载LiDAR技术才得到快速发展。其中，美国NAS

7、A研制的大气海洋LiDAR系统（AOL）和机载地形测量设备（ATM）等机载系统研制成功并投入使用（张小红，2007）。机载LiDAR系统突飞猛进地发展是发生在最近十几年的事情。1988年，德国斯图加特大学（Stuttgart）摄影测量学院开始研究机载激光扫描地形断面测量系统；1990年，阿克曼教授研制成功世界上第一套机载激光断面测量系统，显示了机载LiDAR技术的实用化潜力；1993年，德国首次出现了商用机载LiDAR系统TopScan；1998年，加拿大卡尔加里大学（Calgary）进行了对激光扫描仪与GPS、INS和数据通讯设备的集成实验，标志着

8、真正意义上的机载LiDAR系统出现；随后，更多的硬件制造商与学者联合起来，不断对机载LiDAR系统进行完善和