专利名称：一种高速铁路快速精密测量和全要素数据获取系统及方法
技术领域：
本发明涉及精密铁路测量和高速铁路轨道检测、安全及数字铁路领域，特别是一 种基于高精度全球定位系统GPS和惯性测量装置IMU定位定向、激光扫描和数码成像技术 的高速铁路移动精密测量并同时获取铁路沿线全要素数据的系统及方法，本发明还涉及一 种铁路专用的配套测量标识。
背景技术：
高速铁路已经成为当今人们交通出行和运输的重要方式，近年来随着高速铁路技 术的不断成熟和完善，高速铁路的运行速度不断提高，周期性地进行铁轨变形和路基沉降 监测，确保高速铁路的安全性，是高速铁路正常运营的基础。通常高速铁路的运营每天将有 三小时的“空窗”时间，是高速铁路安全检查的最佳时机。因此，如何利用有限的时间，快速 精确地测量高速铁路的现状是当前急需解决的技术问题。同时，随着铁路信息化进程的不 断加快，快速完整精确地采集铁路沿线全要素数据，实现铁路数字化，也对现有的技术和方 法提出了挑战。目前，铁路的轨道检测主要是使用轨检车来完成的。轨检车应用光学、磁学和电学 原理，通过不同的传感器把轨距几何量值的变化转换成电容、电感和电流或电压等电气参 数的变化，实现动态条件下轨距的无接触测量。这种方式的缺点是，只能检测轨道几何形 位，从轮轨相互作用和行车平稳性等方面对轨道状态作出评价，无法提供定位测量结果，更 无法与高速铁路轨道控制网(如CPIII基桩控制网)进行联测。如果进行联测平差，则使用传统的全站仪设备，逐站间断式进行测量，不仅测量效 率低，测量精度也很难达到高速铁路对技术精度的要求。美国在2008年3月12日公开的公开号为101142462的发明专利，公开了一种用 于检查铁路轨道的系统和方法，内容摘要如下“所公开的系统包括激光器、照相机和处理 器。激光器位于轨道附近。激光器发射光束越过铁路轨道，而照相机俘获其上具有发射的 光束的铁路轨道的图像。处理器格式化图像以使它们可以被分析，从而确定铁路轨道的各 种不同的可测量方面。”这种方法的缺陷在于精度有限，难以满足高速铁路轨道测量对精度 的要求，同时由于使用激光器、照相机进行测量的范围有限，如果进行长距离测量则需要安 装多套设备，实现困难，因此无法在高速铁路上进行大规模推广和使用。同时，其测量结果 是单点式的，无法用于轨道平顺度和整体沉降的计算。此外，在2007年8月29日公开的发明专利申请101024400中，披露了一种高速铁 路轨道安全自动测量监控技术，其内容摘要如下；“通过在铁路路基上安装测量基准桩，在 测量基准桩上安装位移传感器，用位移传感器来测量铁路轨道与测量基准桩之间相对位移 的方法得到铁路轨道静态、动态位移信息数据，位移信息数据通过位移信息模块传输到终 端接收显示器里，由终端接收显示器显示出铁路轨道的静态、动态沉降、倾斜变化数据，达 到预防由于铁路轨道发生静态、动态沉降、倾斜引发的列车出轨事故的目的。”但是，这种方 式得到的观测值是离散的，其精确度严重依赖于位移传感器的敏感度和质量，同时，监测的质量还取决于测量基准桩的安装密度，不仅成本高，而且也无法完全避免安全隐患。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何快速高效地进行高精度高速铁路测量和全要 素数据采集的问题。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是使用专门为铁路设计的测量标识在 高速铁路轨道控制网(如CPIII基桩控制网)上进行布标，在运动平台上，如电平车或火车 等，安装高速铁路移动测量系统，包括激光扫描仪、高速数码成像设备和GPS/IMU定位定向 系统，获取高速铁路轨道、路基、铁路专用测量标识及其他周边地物的影像、激光点云和定 位定向数据，通过与轨道控制网(如CPIII基桩控制网)的控制点进行联合平差计算等数 据处理过程，获取高精度的高速铁路三维点云和大地定向影像数据。本发明的内容包括高速铁路移动精密测量及全要素数据获取系统和铁路专用测 量标识。方法包括基于高精度GPS/IMU定位定向、激光扫描和数码成像技术的高速铁路移 动测量方法和通过将测量结果与轨道控制网(如CPIII基桩控制网)的控制点进行联合平 差提高测量精度的方法。本发明的高速铁路移动精密测量系统由激光扫描仪1、数码成像设备2、GPS接收 器3、IMU惯性测量装置4、工业计算机5和供电装置6六个部分组成。系统高度集成，安装 在运动平台7上，运动平台7沿着高速铁路线运动，工业计算机5 —方面通过程序控制激光 扫描仪1、数码成像设备2、GPS接收器3、IMU惯性测量装置4的工作，另一方面也将采集的 激光点云、数码影像及GPS/IMU定向定位数据存储起来。供电装置6为激光扫描仪1、数码 成像设备2、GPS接收器3、IMU惯性测量装置4、工业计算机5提供电力保障。激光扫描仪1 是一种主动采集地面数据的方式，抗天气干扰能力强，不受太阳高度角影响，白天和黑夜都 能工作。数码成像设备2可选用高速数码相机或红外相机，数码相机可用于白天获取彩色 影像数据，红外相机用于夜间获取红外影像，也可考虑数码相机和高亮度照明设备配合使 用用于夜间获取彩色数码影像。基于高精度GPS/IMU定位定向、激光扫描和数码成像技术的高速铁路轨道移动测 量方法，由集成到运动平台7上的高速铁路移动精密测量系统实现，包括激光扫描仪1、数 码成像设备2、GPS接收器3、IMU惯性测量装置4、工业计算机5和供电装置6六个部分。运 动平台7可以以高达每小时40公里的速度沿着高速铁路线前进，在运动中获取高速铁路铁 轨、路基和周边地物的激光点云、数码影像和定位定向数据，经过数据处理软件解算后，得 到高速铁路的三维点云和相匹配的大地定向影像。为保证数据精度达到毫米级，本发明的高速铁路移动精密测量系统采用的激光扫 描仪⑴的测量频率应大于50万点/秒，测距精度小于1毫米，GPS接收器(3)和IMU惯 性测量装置(4)的定位精度须好于厘米级，数码成像设备(2)中的数码相机每秒应该能拍 摄数帧其至数十帧的数码影像。为了使获取的高速铁路三维点云更加精确，可通过与轨道控制网(如CPIII基桩 控制网)的控制点进行联合平差来实现。为了解决移动激光雷达系统的激光发射多角度和 因随机激光点导致固定点不确定性的问题，将在轨道控制网上使用专门为铁路设计的测量 标识进行布标。该专用测量标识由目标球8、对中杆9和固定点标识装置10组成。由此可
5获取相对精确的标识点坐标，再与轨道控制网的控制点进行联合平差计算，便可使测量数 据精度达到毫米级。本发明的铁路专用测量标识是由目标球8、对中杆9和固定点标识装置10组成。 标识物使用目标球8，解决移动激光雷达系统的激光发射多角度和因随机激光点导致的固 定点不确定性问题。目标球8的尺寸可根据实际情况，如移动平台的运动速度、精度要求、 激光扫描仪参数等条件选定。本发明为监测高速铁路轨道变形和路基沉降提供了一套完整的解决方案，系统 集成度高，具有高效率和高精度的特点，使用铁路专用的激光测量标识布设在轨道控制网 (如CPIII基桩控制网)的控制点上进行大地联测和平差，使得获取的数据精度达到毫米 级，为保障高速铁路的安全运行提供科学有效的数据基础。
图1是本发明的高速铁路移动测量系统的系统示意图。图2是与轨道控制网(如CPIII基桩控制网)的控制点进行联合平差计算的流程 图。图3是本发明的铁路专用测量标识的示意图。
具体实施例方式图1是本发明的高速铁路移动精密测量系统的系统示意图。该系统由激光扫描仪 1、数码成像设备2、GPS接收器3、IMU惯性测量装置4、工业计算机5和供电装置6组成。供 电装置6为激光扫描仪1、数码成像设备2、GPS接收器3、IMU惯性测量装置4、工业计算机 5提供电力保障。激光扫描仪1、数码成像设备2、GPS接收器3、IMU惯性测量装置4通过工 业计算机5控制。系统安装在运动平台上7，在运动过程中，由激光扫描仪1发射激光束并 接收由自然物反射回的激光脉冲，由数码成像设备2拍摄高速铁路轨道、路基和周边地物 的影像，由GPS接收器3和IMU惯性测量装置4获取移动中每个时刻的定位定向数据，以上 数据都通过电缆存储到工业计算机5，再通过数据处理软件进行解算，得到高精度的高速铁 路三维点云和大地定向数码影像数据。图2是与轨道控制网((如CPIII基桩控制网))的控制点进行联合平差计算的流 程图，步骤如下步骤Sl 在轨道控制网(如CPIII基桩控制网)的每个控制点上布设本发明的铁 路专用测量标识；步骤S2 使用本发明的高速铁路移动测量系统获取激光点云、原始影像和定位定 向数据；步骤S3 经过数据解算，得到本发明的铁路专用测量标识的目标球8的球面坐 标；步骤S4 通过铁路专用测量标识的目标球8的球面坐标计算每个目标球8的中心 点坐标；步骤S5 利用铁路专用测量标识的目标球8的中心点坐标与其标识的控制点的数 学关系，计算每个CPIII轨道控制网的标识点测量坐标；
步骤S6 使用以上标识点的测量坐标与轨道控制网(如CPIII基桩控制网)的控 制点进行联合平差，得到误差改正参数；步骤S7 解算高速铁路轨道、路基和周边地物的三维点云和数码影像数据，迭代 误差改正参数，获取精度达到毫米级的高速铁路测量数据。图3是本发明的铁路专用测量标识的示意图，由目标球8、对中杆9和固定点标识 装置10组成。在轨道控制网(如CPIII基桩控制网)的每个控制点都埋入固定点标识装 置10，竖立对中杆9和目标球8，如果控制点上已有其他标识，可使用其他方法固定本发明 的铁路专用测量标识，只要保证对中杆9的尖端对准控制点即可。高速铁路移动精密测量 系统在运动中发出的激光从不同角度到达目标球8表面后返回激光接收器，结合GPS/IMU 定位定向数据进行解算，获取多个球面点坐标，理论上只需通过球表面的任意三个点的坐 标就能计算出球形目标物的中心点坐标，多余的点可用于平差计算，排除粗差，得到更加精 确稳定的目标球8中心点坐标，从而建立目标球8的中心点与固定点标识装置10标识的轨 道控制网控制点之间的数学关系，用于联测和平差。
权利要求
一种高速铁路移动精密测量系统，由激光扫描仪(1)、数码成像设备(2)、GPS接收器(3)、IMU惯性测量装置(4)、工业计算机(5)和供电装置(6)六个部分组成，其特征在于在移动过程中，由激光扫描仪(1)发射激光束并接收反射回的激光脉冲，由数码成像设备(2)拍摄高速铁路轨道、路基和周边地物的影像，由GPS接收器(3)和IMU惯性测量装置(4)获取运动中每个时刻的定位定向数据，以上数据都通过电缆存储到工业计算机(5)，通过数据处理软件进行解算，得到高精度高速铁路三维点云和经大地定向的数码影像数据。
2.根据权利要求1所述的高速铁路移动精密测量系统，其特征在于测量速度可高达 每小时40公里。
3.根据权利要求1和2所述的高速铁路移动精密测量系统，其特征在于系统的最佳 测量速度为每小时30公里。
4.根据权利要求1所述的高速铁路移动精密测量系统，其特征在于测量精度可达毫 米级。
5.根据权利要求1和4所述的高速铁路移动精密测量系统，其特征在于为保证数据 精度达到毫米级，激光扫描仪(1)的测量频率应大于50万点/秒，测距精度小于1毫米，CPS 接收器⑶和IMU惯性测量装置(4)的定位精度好于厘米级，数码成像设备(2)中的数码 相机每秒应该能拍摄数帧甚至数十帧的数码影像。
6.一种高速铁路移动精密测量方法，使用由激光扫描仪(1)、数码成像设备(2)、GPS接 收器(3)、IMU惯性测量装置(4)、工业计算机(5)和供电装置(6)组成的系统，其特征在于 在运动的状态下，获取高速铁路的激光点云和影像数据，联合GPS/IMU定位定向数据，解算 出高精度高速铁路三维点云和经大地定向的数码影像数据。
7.一种使用轨道控制网(如CPIII基桩控制网)的控制点进行联合平差计算提高高速 铁路移动测量精度的方法，步骤如下步骤Sl 在轨道控制网(如CPIII基桩控制网)的每个控制点上布设本发明的铁路专 用测量标识；步骤S2 使用本发明的高速铁路移动测量系统获取激光点云、原始影像和定位定向数据；步骤S3 经过数据解算，得到本发明的铁路专用测量标识的目标球(8)的球面坐标；步骤S4:通过铁路专用测量标识的目标球(8)的球面坐标计算每个目标球(8)的中心 点坐标；步骤S5 利用铁路专用测量标识的目标球(8)的中心点坐标与其标识的控制点的数学 关系，计算每个轨道控制网的标识点测量坐标；步骤S6 使用以上标识点的测量坐标与轨道控制网的控制点进行联合平差，得到误差 改正参数；步骤S7 解算高速铁路轨道、路基和周边地物的三维点云和数码影像数据，迭代误差 改正参数，获取精度达到毫米级的高速铁路测量数据。
8.实现权利要求7所述的通过轨道控制网(如CPIII基桩控制网)进行联合平差提高 高速铁路移动测量数据精度的方法使用的铁路专用测量标识，由目标球(8)、对中杆(9)和 固定点标识装置(10)组成，其特征是标识物使用目标球(8)，解决移动激光雷达系统的激 光发射多角度和因随机激光点导致的固定点不确定性问题。
9.根据权利要求8所述的铁路专用测量标识，其特征是目标球(8)的尺寸可根据实 际情况，如移动平台的运动速度、精度要求、激光扫描仪参数等条件选定。
全文摘要
本发明涉及精密铁路测量和高速铁路轨道检测、安全及数字铁路领域，特别是一种基于GPS/IMU定位定向、激光扫描和数码成像技术的高速铁路移动精密测量并同时获取铁路沿线全要素数据的系统及方法，本发明还涉及一种铁路专用测量标识。系统由激光扫描仪(1)、数码成像设备(2)、GPS接收器(3)、IMU惯性测量装置(4)、工业计算机(5)和供电装置(6)组成，能在运动中获取高速铁路轨道、路基及周边地物的三维点云和经大地定向的数码影像。方法包括高速铁路移动精密测量方法和通过与轨道控制网(如CPIII基桩控制网)的控制点进行联合平差提高测量精度的方法。系统集成度高，具有高效率和高精度的特点，数据精度可达毫米级。
文档编号G01C15/02GK101913368SQ201010250199
公开日2010年12月15日 申请日期2010年8月11日 优先权日2010年8月11日
发明者唐粮 申请人:唐粮