一種高速鐵路基樁控制網cpiii的快速測量方法

2023-06-01 16:40:26 1

專利名稱：一種高速鐵路基樁控制網cpiii的快速測量方法
技術領域：
本發明涉及精密工程測量領域，特別是基於移動雷射雷達測量和高速數碼成像技 術的高速鐵路基樁控制網CPIII的快速測量方法。
背景技術：
高速鐵路工程測量控制網分為三級，第一級為基礎控制網(CPI網)、第二級為線 路控制網(CPII網)、第三級為基樁控制網(CPIII網)，統一採用國家坐標系統。CPIII網 主要為軌道鋪設和運營維護提供控制基準，控制點是沿線路方向每隔40-60米成對布設， 每對控制點的間距約為15米，CPIII控制測量是在線路控制網CPII坐標成果基礎上實施， 常規作業方法有以下幾種(以下部分引自張懷仁和吳喬生的《高速鐵路精密控制網CPIII 測量技術分析》，科技創新導報，2010，No. 06)(1)極坐標法。在一個CPII控制點上設站，以另一個點定向，用極坐標方法直接測 量CPIII控制點的坐標。此時CPIII作為一個散點進行測量，其精度主要受制於對點、儀器 等級、觀測條件等限制，每個CPIII點均是獨立求出的，因此CPIII的相關性不強。(2)測角交會法。分別在兩個CPII控制點上設站，觀測同一 CPIII控制點，通過 CPII坐標以及觀測的角度值進行交會計算，得到CPIII控制點的坐標。但是在實際觀測中， 部分CPIII點不能在兩個CPII方向上通視，同時，帶狀線路的特性導致交會角過小，會影響 交會點的精度。(3)測邊交會法。同測角交會，分別在兩個CPII控制點上設站，觀測同一 CPIII控 制點，通過CPII坐標以及觀測的距離進行交會計算，得到CPIII控制點的坐標。此方法同 樣受部分觀測條件的影響，旁遮光、儀器對中、儀器測距精度等對結果精度影響較大，需要 進行大氣折光、儀器加乘常數等改正。(4)支距交會法。支距交會的原理是利用兩個CPII控制點建立一個定向方向， 測量CPIII控制點到這個方向上的垂距以及垂足到其中一個CPII控制點的距離，從而計算 出CPIII控制點的坐標。此方法在操作上比較簡單，精度較高。但因支距不完全與定向視 線垂直，還需在鐵路另一側採用碎步測量方法測量CPIII點近似坐標。但這種法方法和極 坐標法一樣，各個CPIII的相關性不強。以上方法都是基於全站儀、經緯儀、水準儀等靜態測量儀器進行的逐站間斷式測 量方法，耗時很長，效率極低，且對測量時的觀測條件(如大氣、光線等)要求很高，加上 CPIII控制點間的相關性不強，無法確保CPIII基樁控制網的精度。

發明內容
隨著高速鐵路建設的快速發展，工程測量規範也在不斷地完善和提高，唯有採用 相應的新技術、新方法才能獲得滿足規範要求的高精度測量成果。為了解決以上CPIII控 制測量方法的測量效率低、CPIII控制點間的相關性不強等問題，本發明採用了一種基於移 動雷射雷達測量及高速數碼成像技術的全新方法，大大地提高了 CPIII網的測量效率和該控制網本身的整體穩定性。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是使用由雷射掃描儀(1)、GPS/IMU定 位定向系統(2)、高速數碼成像系統(3)、工業控制計算機(4)和供電裝置(5)組成的移動 高精度測量系統獲得CPIII網測量數據，通過與高級網數據、聯測數據以及影像中提取的 輔助測量點坐標數據進行聯合加權平差，得到高精度的CPIII控制點坐標。在進行移動雷射雷達測量前，需要使用一種鐵路專用雷射測量標識，對CPIII控 制網的各控制點進行布標。鐵路專用的雷射測量標識是由目標球(6)、對中杆(7)和固定 點標識裝置(8)組成。移動雷射雷達測量系統在運動中發出的雷射從不同角度到達目標 球(6)表面後返回到雷射掃描儀(1)的接收器，基於測量平臺GPS/IMU數據進行解算，獲取 多個球面點坐標，理論上只需通過球表面的任意三個點的坐標就能計算出球形目標物的中 心點坐標，多餘的點可用於平差計算，排除粗差，得到更加精確穩定的目標球(6)中心點坐 標，從而建立目標球(6)的中心點與固定點標識裝置(8)標識的控制點之間的數學關係，解 決移動雷射雷達系統的雷射發射多角度和因隨機雷射點導致固定點不確定性的問題。移動 平臺速度、最終測量精度和雷射掃描儀的頻率等參數是決定目標球(6)尺寸的因素。目標 球(6)採用雷射反射性良好的材質，球面上帶有圖形編碼，便於在數碼影像中進行識別。一種基於移動雷射雷達測量和高速數碼成像技術對高速鐵路CPIII基樁控制網 進行快速測量的方法，在運動平臺上安裝移動高精度測量系統，使用雷射掃描儀(1)沿高 鐵線路對CPIII網進行掃描，使用GPS/IMU定位定向系統(2)獲取運動中每個時刻的GPS 位置、角度和加速度信息，使用高速數碼成像系統(3)拍攝CPIII網及周邊的多度重疊的數 碼影像，通過數據預處理，將GPS/IMU定向定位數據結合GPS基站獲取的基站數據，計算出 運動軌跡數據，再使用數據處理軟體將雷射點雲原始數據和數碼影像原始數據解算為三維 點雲和大地定向後的數碼影像數據，計算CPIII控制點的觀測坐標和選取的輔助測量點坐 標。為提高CPIII控制點精度，每隔一定距離選擇一對與CPII網在通視條件和幾何交匯方 面都比較好的CPIII控制點作為CPIII聯測點，使用測角交會法或測距交會法對這些CPIII 聯測點進行測量。將已知的CPI、CPII控制點坐標、測量得到的CPIII聯測點坐標以及計算 得到的CPIII觀測坐標和輔助測量點坐標，進行聯合加權平差，剔除粗差，計算出CPIII各 控制點精確的三維坐標及CPIII網質量參數，如RMS值、水平及高程誤差等。由於使用高速數碼成像系統(3)，獲取的數碼影像具有多度重疊的特性，在這些影 像中，可提取多個至少具有三度重疊的CPIII球面的編碼特徵點及周邊明顯物體作為輔助 測量點。一方面，輔助測量點能參與聯合平差計算，提高CPIII控制網的精度和穩定性，另 一方面，輔助測量點還可作為驗證CPIII控制點精度的依據。為確保CPIII基樁控制網的測量精度可達到毫米級，移動雷射雷達測量系統應配 備高頻率、高精度的雷射掃描儀(1)，用於保證獲取高密度的三維點雲，GPS/IMU定位定向 系統(2)也需要採用國際上最先進定位定向系統，保證定位定向精度能好於毫米級，高速 數碼成像系統(3)中的數位相機每秒應該能拍攝數幀甚至數十幀的數碼影像，考慮到夜間 作業的需要，還可以集成高速紅外數位相機。本發明大大縮短了 CPIII控制網的測量時間，克服了離散式單點測量總體相關性 小的缺點，各控制點進行整體平差，閉合性好，相對精度高，而且同時獲得各控制點的平面 和高程坐標，大規模有效地簡化了 CPIII基樁控制網的測量工作。


圖1是本發明使用的移動雷射雷達測量系統的系統示意圖。圖2是本發明的數據處理流程圖。圖3是本發明的CPIII基樁控制網的測量流程圖。圖4是本發明的鐵路專用測量標識的示意圖。
具體實施例方式圖1是本發明的高速鐵路移動雷射雷達測量系統的系統示意圖。該系統由雷射掃 描儀(1)、GPS/IMU定位定向系統(2)、高速數碼成像系統(3)、工業計算機(4)和供電裝置 (5)組成。供電裝置(5)為雷射掃描儀(1)、GPS/IMU定位定向系統(2)、高速數碼成像系統 (3)、工業計算機(4)提供電力保障。雷射掃描儀(1)、GPS/IMU定位定向系統(2)、高速數 碼成像系統(3)通過工業計算機(4)控制。系統安裝在運動平臺上，在運動過程中，由雷射 掃描儀(1)發射雷射束並接收反射回的雷射脈衝，由GPS/IMU定位定向系統(2)獲取移動 中每個時刻的定位定向數據，由高速數碼成像系統(3)拍攝CPIII控制網沿線的數碼影像， 以上數據都通過電纜存儲到工業計算機(4)，再通過數據處理軟體進行數據解算。圖2是本發明的數據處理流程圖。由雷射掃描儀(1)沿高鐵線路獲取CPIII網的 雷射掃描原始數據；由GPS/IMU定位定向系統(2)獲取的定位定向數據，聯合GPS基站數據 解算得到運動軌跡數據；由高速數碼成像系統(3)沿高鐵線路拍攝CPIII網的原始數碼影 像。通過雷射掃描原始數據和運動軌跡數據聯合計算出CPIII網的三維點雲，計算CPIII 控制點的觀測坐標；數碼成像原始數據聯合運動軌跡數據進行數據處理後得到定向後的數 碼影像，從中提取CPIII球面的編碼特徵點及周邊明顯物體作為輔助測量點，計算這些輔 助測量點的三維坐標。每隔一定距離選擇一對與CPII網通視和幾何交會條件都比較好的 CPIII控制點作為CPIII聯測點，使用測角交會法或測距交會法對這些CPIII聯測點進行測 量。將已知的CPI、CPII控制點坐標、測量得到的CPIII聯測點坐標以及計算得到的CPIII 觀測坐標和輔助測量點坐標，進行聯合加權平差，剔除粗差，計算出CPIII各控制點精確的 三維坐標及CPIII網質量參數，如RMS值、水平及高程誤差等。圖3是CPIII基樁控制網的測量流程圖，步驟如下步驟Sl 在CPIII網的各控制點上布設本發明的鐵路專用雷射測量標識；步驟S2 架設GPS基站，GPS基站的架設地點應選擇在CPI或CPII網的控制點上， 在大約10公裡測量範圍內應均勻分布至少3個GPS基站；步驟S3 使用移動高精度測量系統對CPIII網沿線進行掃描，獲取雷射掃描原始 數據、GPS/IMU定位定向數據和數碼成像原始數據；步驟S4 每隔一定距離選擇一對與CPII網通視和幾何交會條件都比較好的CPIII 網控制點作為CPIII網的聯測點，使用測角交會法或測距交會法對這些CPIII網聯測點進 行測量；步驟S5 解算運動軌跡，高精度GPS/IMU定位定向系統(2)獲取的定位定向數據 結合步驟S2中架設的GPS基站獲取的基站數據，經過數據預處理，計算得到高精度的軌跡 數據；基於良好幾何條件的多個GPS基站獲取的基站數據計算得到的軌跡數據在精度和穩
6定性方面都更優；步驟S6 雷射掃描原始數據與步驟S5中計算出的軌跡數據聯合解算出CPIII網 的三維點雲；步驟S7 數碼成像原始數據與步驟S5中計算出的軌跡數據聯合解算出定向後的 CPIII網及周邊環境的數碼影像數據；步驟S8 提取三維點雲中的CPIII網各控制點的鐵路專用雷射測量標識的目標球 (6)的球面坐標，計算各個球心坐標；步驟S9 利用鐵路專用雷射測量標識的目標球(6)的中心點坐標與其標識的控制 點的數學關係，計算CPIII網各控制點的觀測坐標；步驟SlO 利用數字影像相關技術，在定向後的多度重疊的數碼影像中，提取布設 在CPIII網控制點上的鐵路專用雷射測量標識的球面編碼特徵點及周邊明顯物體作為輔 助測量點，計算這些輔助測量點的三維坐標；步驟Sll 對已知的CPI、CPII網控制點坐標、CPIII網觀測坐標、CPIII網聯測點 坐標、輔助測量點坐標進行聯合加權平差，剔除粗差。計算得到CPIII網各控制點精確的三維坐標及CPIII網質量參數，如RMS值、水
平及高程誤差等。圖4是本發明的鐵路專用測量標識的示意圖，由目標球(6)、對中杆(7)和固定點 標識裝置(8)組成。在CPIII基樁控制網的每個控制點都埋入固定點標識裝置(8)，豎立對 中杆(7)和目標球(6)，如果CPIII網控制點上已有其他標識，可使用其他方法固定本發明 的鐵路專用測量標識，只要保證對中杆(7)的尖端對準CPIII網控制點即可。
權利要求
一種高速鐵路基樁控制網CPIII的測量方法，使用由雷射掃描儀(1)、GPS/IMU定位定向系統(2)、高速數碼成像系統(3)、工業計算機(4)和供電裝置(5)組成的移動高精度測量系統，其特徵在於在運動的狀態下，獲取沿線路CPIII網的雷射點雲和數碼影像數據，聯合GPS/IMU定位定向數據，解算出CPIII網控制點的觀測坐標和輔助測量點坐標，通過與已知的CPI、CPII網控制點坐標、聯測得到的CPIII聯測點坐標進行聯合加權平差，得到精度可達毫米級的CPIII網各控制點的三維坐標及CPIII網質量參數。
2.根據權利要求1所述的高速鐵路基樁控制網CPIII的測量方法，步驟如下 步驟Sl 在CPIII網的各控制點上布設本發明的鐵路專用雷射測量標識；步驟S2 架設GPS基站，GPS基站的架設地點應選擇在CPI或CPII網的控制點上，在大 約10公裡測量範圍內應均勻分布至少3個GPS基站；步驟S3 使用移動高精度測量系統對CPIII網沿線進行掃描，獲取雷射掃描原始數據、 GPS/IMU定位定向數據和數碼成像原始數據；步驟S4 每隔一定距離選擇一對與CPII網通視和幾何交會條件都比較好的CPIII網 控制點作為CPIII網的聯測點，使用測角交會法或測距交會法對這些CPIII網聯測點進行 測量；步驟S5 解算運動軌跡，高精度GPS/IMU定位定向系統(2)獲取的定位定向數據結合 步驟S2中架設的GPS基站獲取的基站數據，經過數據預處理，計算得到高精度的軌跡數據； 基於良好幾何條件的多個GPS基站獲取的基站數據計算得到的軌跡數據在精度和穩定性 方面都更優；步驟S6 雷射掃描原始數據與步驟S5中計算出的軌跡數據聯合解算出CPIII網的三 維點雲；步驟S7:數碼成像原始數據與步驟S5中計算出的軌跡數據聯合解算出定向後的CPIII 網及周邊環境的數碼影像數據；步驟S8 提取三維點雲中的CPIII網各控制點的鐵路專用雷射測量標識的目標球(6) 的球面坐標，計算各個球心坐標；步驟S9 利用鐵路專用雷射測量標識的目標球(6)的中心點坐標與其標識的控制點的 數學關係，計算CPIII網各控制點的觀測坐標；步驟S10:利用數字影像相關技術，在定向後的多度重疊的數碼影像中，提取布設在 CPIII網控制點上的鐵路專用雷射測量標識的球面編碼特徵點及周邊明顯物體作為輔助測 量點，計算這些輔助測量點的三維坐標；步驟Sll 對已知的CPI、CPII網控制點坐標、CPIII網觀測坐標、CPIII網聯測點坐標、 輔助測量點坐標進行聯合加權平差，剔除粗差。計算得到CPIII網各控制點精確的三維坐標及CPIII網質量參數，如RMS值、水平及 高程誤差等。
3.實現權利要求2所述的高速鐵路基樁控制網CPIII的測量方法中使用的鐵路專用測 量標識，由目標球(6)、對中杆(7)和固定點標識裝置(8)組成，其特徵是標識物使用目標 球(6)，解決移動雷射雷達系統的雷射發射多角度和因隨機雷射點導致固定點不確定性的 問題。
4.根據權利要求3所述的鐵路專用測量標識，其特徵是目標球(6)採用雷射反射性良好的材質，球面上帶有圖形編碼，便於在數碼影像中進行識別，尺寸根據移動平臺速度、 最終測量精度和雷射掃描儀的頻率等參數選定。
全文摘要
本發明涉及精密工程測量領域，特別是基於移動雷射雷達測量和高速數碼成像技術的高速鐵路基樁控制網CPIII的快速測量方法。使用由雷射掃描儀(1)、GPS/IMU定位定向系統(2)、高速數碼成像系統(3)、工業計算機(4)和供電裝置(5)組成的移動高精度測量系統獲得CPIII控制網測量數據，通過與高級網數據、聯測數據以及影像中提取的輔助測量點進行聯合加權平差，得到高精度的CPIII控制點坐標。本發明可大大縮短CPIII控制網的測量時間，克服離散式單點測量總體相關性小的缺點，各控制點進行整體平差，閉合性好，相對精度高，而且同時獲得各控制點的平面和高程坐標，大規模簡化了CPIII控制網的測量工作。
文檔編號E01B35/00GK101914881SQ20101023768
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月27日 優先權日2010年7月27日
發明者唐糧 申請人:唐糧