LiDAR铁路测绘飞行作业技术研究

摘　要：

关键词：

1 引言
　　机载激光雷达（Light Detection And Ranging，LiDAR）技术，是一种集成了激光测距技术、全球定位技术、惯性导航技术、光电扫描技术的先进航空摄影测量与遥感技术。
　　LiDAR是一种复杂精密的集成设备，需要传统的工程测量、大地测量和航空摄影测量为技术支撑，以及相关的空域联系、航摄飞行、外业测控、内业数据处理等各个环节来配合。
2 LiDAR技术在铁路航测中的应用
　　目前，我国对LiDAR技术在铁路航空摄影测量中的应用研究和工程实践处于初步阶段，尽管几家铁路综合设计院都引进了LIDAR设备，但是由于对这项技术的认识，相关的技术储备以及项目需求不同等原因，开展的深度和广度有所差异。总体而言，LiDAR技术对铁路航空摄影测量有较好的推动作用，主要表现在：
　　1）外业控制测量的工作量不大。由于采取了POS技术，可以实时获取位置信息，大大减少了控制测量的需求，对于在困难地区的铁路勘测尤其重要。
　　2）精度高。LiDAR的高程精度很高，能够很好地满足铁路勘察的需求。
　　3）速度快。LiDAR数据生产断面和DEM的速度很快，能快速提供地形地貌信息。
　　4）对天气依赖不大。由于是主动测量技术，LiDAR可以进行全天时和全天候的作业，对于工期短，时间紧的铁路勘察项目尤其重要。
　　尽管如此，LiDAR技术在铁路勘察中全面展开和深入进行，还有待时日。主要问题在于：
　　1）没有标准和规范。目前还没有专门的针对LiDAR技术在铁路测绘中的标准和规范，对成果精度等问题的权威认可，还没有依据。
　　2）对于在铁路勘察的何种情况，何种阶段使用LiDAR技术最有效，还没有形成清晰认识。LiDAR技术最适合带状成图，在初测和定测等不同阶段，会有不同效果，需要深入研究和比较。
　　3）没有成熟的流程和熟练的技术队伍。LiDAR作业需要很多具有专门技术的技术人员一起合作，对各个环节进行精心组织和控制，目前，这样的队伍还没有组建，成熟的LiDAR作业流程和产品也没有形成。
3 LiDAR航摄飞行作业技术
3.1 重要性
　　飞行作业是LiDAR数据采集的第一道工序，为后续内业数据处理提供原始数据，其误差会被后续环节继承和包含。因此，其精度直接影响产品的精度。研究机载激光雷达作业流程，优化作业方案，控制作业质量，进而提高数据质量，对于LiDAR技术的使用和推广，具有重要意义。
3.2 目前主要问题
　　目前对LiDAR技术的研究比较多，但是主要是集中在数据处理环节，在这个环节中主要存在下列问题：
　　1）不规范。很多操作人员以前是操作航摄相机的技术人员，不太了解LiDAR技术的组成和要点，操作时没有严格按照制造商建议的环节和步骤进行。
　　2）无标准。尽管制造商建议了设备操作流程，但是并没有解释这些操作的原因和具体细节。造成有的步骤没有可操作性，或者操作时没有标准，需要技术人员根据LiDAR的基本原理加以分析，最后确定标准的操作流程。
　　3）太复杂。由于涉及很多技术，在作业的时候，需要考虑各种集成设备的工作状态和工作条件，仅经过初步培训的操作人员会混淆或忘记一些步骤，或者一些步骤没有做到位等，都会影响数据精度。
3.3 步骤
　　一般而言，LiDAR航摄飞行作业流程图如下。
　　                         
　　

　　根据本单位的工程实践经验，本文总结LiDAR航摄作业的基本流程如下。
　　1）设备安装及接线。注意轻拿轻放，保证设备视场角不被遮挡，将设备固定牢，确保各个接线接好，保证接触良好，一定要把硬盘插好。
　　2）地面测量及测试。把镜头盖去掉，保证设备运转正常。测量GPS天线到传感器中心的偏心距，保证精度。
　　3）飞机原地开车，待电压稳定后，飞机供电开机，确保设备各项指标正常，保证5分钟的GPS静态观测，时间长短取决于距离基站的远近，一般距离应在25-50公里，保证GPS能够观测到的卫星数8颗以上。
　　4）起飞及作业。达到飞行高度后，打开机舱盖。临近测区时，先保持水平飞行5分钟，再做8字飞行，以便提高IMU的精度。飞进入航线前确认，通知飞行员，飞机进线后，激光设备会自动发射激光、记录激光回波数据，一般城市和山区的地表回波比例在90%以上，如果遇到有水田或者湖泊的地区，回波比例会有所下降。
　　5）最后一条线飞完后，平飞小于5分钟后8字盘旋，然后平飞至少5分钟。下降高度，将激光设备的激光参数恢复安全值，关闭激光设备，关闭舱门，听从空管指挥返航。
　　6）飞机降落后，进行5分钟的静态观测，关机。
　　7）填写飞行报告表，记录此次飞行的起飞时间、降落时间、空中情况等信息。
　　8）数据下载。检查数据质量，包括重叠度、点云密度、回波强度，测区覆盖度等，填写质量检测单。
      3.4 要点
　　对于上述流程，需要注意的关键点在于：
　　1）静态观测。飞机上GPS设备需要在开机前和关机前都进行5分钟的静态观测，保证对卫星的捕捉，提高数据质量。如果测区离机场距离较远，直线飞行距离在30分钟以上，则无需进行地面静态观测，但要保证空中直线平飞的时间足够长，可以锁定GPS卫星。
　　2）“8”字飞行。由于IMU容易受到累计误差的影响，因此，在入第一条航线前和出最后一条航线后，都必须进行IMU初始化飞行（平飞），以提高IMU的后处理精度。
      3）航线上飞行姿态控制。要保证Roll （侧滚角）＜ 5 ?；Pitch（俯仰角）＜ 5 ?；Drift （偏航角）＜ 20 ?。
　　4）飞行速度。严格按照航线设计时确定的飞行速度进行，注意顺风和逆风时的航速，确保点云的密度。
　　
4 总结
　　本文根据LiDAR的技术特点，以及在进行航空摄影测量时容易产生的问题，在总结前人资料和本单位生产实践的基础上，提出了LiDAR铁路测绘飞行作业技术的流程和要点。期望对于今后的生产实践有参考作用。
　　
参考文献：
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