英语原文共 14 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

ISPRS Int. J. Geo-Inf. 2015, 4, 185-198; doi:10.3390/ijgi4010185

OPEN ACCESS

Article

ISPRS International Journal of

Geo-Information

ISSN 2220-9964

www.mdpi.com/journal/ijgi/

关于地下铁路激光扫描系统发展的概念性问题

Raymond Hung *, Bruce King and Wu Chen

Department of Land Surveying and Geo-Informatics, Hong Kong Polytechnic University, 11 Yuk Choi Road, Hung Hom, Kowloon, Hong Kong, China; E-Mail: bruce.king@polyu.edu.hk (B.K.); wu.chen@polyu.edu.hk (W.C.)

* Author to whom correspondence should be addressed; E-Mail: raymond.hung@connect.polyu.hk; Tel.: 852-6208-2047; Fax: 852-2330-2994.

Academic Editors: Mark Zuidgeest and Wolfgang Kainz

Received: 19 August 2014 / Accepted: 16 January 2015 / Published: 27 January 2015

摘要：移动激光扫描（MLS）系统在很多方面被广泛应用于空间数据采集和支持应用。近年来，MLS技术已被引入铁路应用，与传统方法相比，大大提高了空间细节和效率。然而MLS技术的进步并未完全应用于铁路环境。典型的MLS系统依靠通过使用惯性导航系统（INS）和全球导航卫星系统（GNSS）进行地理参考的集成导航，同时在长期GNSS中断，甚至无GNSS环境，如地铁或由于独立惯性导航的运行退化，长隧道仍然是一个具有挑战性的问题。商业MLS系统通常采用高性能惯性测量单元（IMU）和各种策略来管理GNSS中断，但在经历GNSS信号丢失之前和之后仍然需要GNSS组件。为了解决GNSS永久性中断的问题，引入了替代GNSS的替代方法，因此允许在无GNSS的地下铁路环境中使用MLS系统。这些方法鼓励将MLS系统发展为地下铁路激光扫描（URLS）系统，其可以提供用于管理地下铁路运营的若干替代操作功能。

关键词：移动激光扫描; 地铁; 全球导航卫星系统停运

简介

移动激光扫描（MLS）系统已被开发为用于动态空间数据采集的严格解决方案。MLS系统通常采用激光轮廓仪、数码相机和其他设备进行测量。测量由时间标记轨迹进行地理配准，该轨迹由位置和定向系统（POS）维护。如今，商业MLS系统可广泛用于工程地形测量、竣工测量、结构和间隙测量、变形测量、环境调查或城市建模。MLS技术的基本原理已经详细审查。MLS系统也广泛应用于铁路轨道勘测、间隙测量、基础设施重建和隧道制图。然而这些应用主要依赖于POS导航，因此全球导航卫星系统（GNSS）中断会降低地理参考性能。由于系统依赖于GNSS条件，因此通常需要额外的控制测量和后处理调整才能达到所需的精度。应用程序的可用性和实用性是有限的。一些系统配置已被简化并分解为子系统，并且能够在没有惯性导航的铁路中进行非严格的在线应用，但功能受到系统设计的限制。为了提高地下铁路的系统性能，铁路系统中的可用信息和基础设施是替代GNSS部件的替代方案。例如，可以采用架空电力线和台架，轨道配置和对准数据，路线分配信息，控制和信号系统，隧道结构和平台。此外，连续运行的发展将扩大系统应用的范围。本研究首先回顾了当前用于管理GNSS中断的解决方案，然后提出了可替代的解决方案，将其纳入集成的地下铁路激光扫描（URLS）系统，以用于无GNSS的环境。其次讨论了连续URL系统的开发和应用范围，以及这种技术将为地下铁路资产管理带来的好处。

弥合全球导航卫星系统中断的解决方案

近年来，一些商业MLS系统，如Optech的Lynx Mobile Mapper，IGI的RailMapper和Riegl的VMX-450-Rail，已经通过使用高端POS架构和复杂的数据处理技术适应铁路应用，以最大限度地减少因全球导航卫星系统中断对数据准确性造成的负面影响。以下部分概述了这些方法。虽然这种系统适用于GNSS中断可能持续一段时间的地上铁路，但地下铁路系统中存在完全无GNSS的环境。因此，需要替代解决方案来替换GNSS组件，并在第2.2节中概述。

2.1 全球导航卫星系统中断的现行战略

大多数基于陆地的MLS系统使用POS来估计导航轨迹。目前采用了一些现有策略，如各种POS架构、平滑算法、速度更新、地标更新、摄影测量桥接和系统简化，以在GNSS中断期间保持系统性能，这里总结了这些策略。

• • 1. POS架构

在形成POS时，惯性导航系统（INS）和GNSS可以以各种方式耦合，其中三个是：松散耦合，紧密耦合和深耦合。大多数用于商业导航系统的紧耦合集成由于其利用来自少于足够数量的卫星的测量来进行GNSS定位的优点。然而，耦合配置对总GNSS中断下的系统性能没有影响。对于完全无GNSS的环境，应重新设计架构，以通过将INS与其他定位信息源耦合来替换GNSS。

• • 1. 最优平滑算法

最佳平滑算法，例如前向平滑或Rauch-Tung-Striebel平滑，是大多数商业MLS系统采用的后处理技术，用于桥接GNSS中断并通过组合和平滑前向和平滑来重置INS向后传播。通过适当的系统初始化和GNSS定位的最终确定，通过结合其他方法，可以在长时间的GNSS中断中实现厘米到亚分米级的精度。但是，在GNSS中断期间仍会累积未检测到的错误，并且无法独立解决独立的INS问题，尤其是对于具有低成本IMU的MLS系统。

• • 1. 速度更新

除POS结构外，车轮安装的距离测量指示器（DMI）通常用于独立的速度测量，它通过INS / GNSS处理器支持精确的速度更新或零速度更新（ZUPT）。它可以应用于任何GNSS条件，但对于控制INS在GNSS中断期间的积分漂移非常重要。对于特定的MLS应用，可以使用替代仪器或技术进行速度更新。虽然它控制位置和速度漂移，但绝对位置误差和姿态误差无法重置。在铁路环境中，速度更新是沿着轨道定位车辆的基本方法之一。

• • 1. 界标更新

为了控制位置误差，Landmark Updates（LMU）通常用于通过测量地标或控制特征来校正车辆位置来支持MLS导航。这种方法通常采用摄影测量或激光扫描测量来实现，并用作间歇性坐标更新（CUPT），以在GNSS中断期间保持准确性。该解决方案通常经过后处理，其准确性取决于控制测量，MLS系统测量以及控制功能的可用间隔。结果表明，通过使用商业MLS系统，整体精度显着提高到厘米级精度，控制间隔为25米。

• • 1. 摄影测量桥接

热点测量桥接是一种解决方案，无需对地标进行额外的控制调查，适用于通过图像对的相对方向桥接GNSS中断。在正常情况下，INS/GNSS用于导航更新并通过卡尔曼滤波器确定摄像机外部方向参数（EOP）。在GNSS中断期间，摄影测量调整能够通过用于INS误差估计的立体重叠图像的相对取向来更新EOP。使用视频图像的类似方法也是一些MLS系统的常见解决方案。摄影测量桥接通常不能保持长期准确性，而其性能受到诸如照明和操作速度的环境条件的限制。然而，这些标准在铁路隧道内显着不足。

• • 1. 简化的移动配置文件扫描

对于某些应用，MLS系统被分解为子系统并用于铁路隧道剖面扫描。简化的配置不依赖于INS用于地理参考，而是仅参考关于铁路轨道的本地系统。这种简化的系统与铁路定位相结合，能够实时运行，用于监测铁路基础设施的状况。

虽然配置文件扫描不依赖于GNSS条件并且能够作为实时解决方案工作，但它不是一个严格的解决方案，仅限于某些目的。扫描单元的方向在垂直方向上受到限制，以最小化由于参考不确定性引起的误差，但忽略姿态变化和列车车体运动。

• 1. URS系统的替代方法

目前的大多数战略是在间歇性GNSS中断的情况下实施的。它们的性能取决于GNSS中断的持续时间，以及IMU和辅助测量设备的质量。他们都无法弥补全球导航卫星系统数据的全部损失。相反，为了开发URLS引入了GNSS替换的替代方法。为了实现一致和可靠的性能，GNSS组件必须由铁路轨道和其他替代方案替代。本节概述了开发无GNSS的URLS系统的各种可能方法。

• • 1. 局部隧道投影

对于局部参考，隧道几何作为调整导航轨迹和映射数据的标称约束。由于INS通常保持短期精度（取决于IMU的质量），因此点云数据段内的相对精度足以描述映射对象。点云分段提供相对于隧道几何形状的独立轨迹调整，并且整个隧道被分成用于存储和分析的部分。

隧道投影简化了测量结果的调整和表示。它专为隧道测量而设计，适用于无GNSS的铁路，但不提供地理参考解决方案，并且不能保持绝对的测量精度。

• • 1. 轨道导航

列车在铁路系统中的定位依赖于轨道的对齐，这是CUPT的连续控制功能，并取代了GNSS组件。由于列车运动是由轨道预定义和限制的，因此列车位置跟踪相对于轨道对准数据减小到一维距离。如果准确确定轴的链条，则通过参考轴大致限定列车的位置和方向，如图1所示。

Figure 1. 铁路有界导航的配置

不幸的是，列车不是刚体，并且参考轴的运动随着MLS系统部件通常连接的上车体而变化，这意味着直接使用轨道对准会引入额外的位置误差。车轴和列车车体之间的相对运动可能由各种问题引起，例如列车加速、离心力、乘客运动，轨道连接处的振动和轨道缺陷等。相对运动的问题。参考轴和MLS系统安装座由等式（1）描述。MLS主体中心与对准框架中的参考轴r^a_r2i之间的标称三维偏移被校准并且不变。MLS估计位置rⁿ_imu与轨道对准之间的动态校正 rⁿ_ref(d)记录估计位置 r^a_r2i(d)以便在重复操作中进行更新和调整。它通过关于对齐链的多项式进行平滑或建模，或以标称间隔记录。

rⁿ_imu= rⁿ_ref(d) Cⁿ_a(d)(r^a_r2i r^a_r2i(d))

其中rⁿ_imu是IMU中心的估计位置，rⁿ_ref(d)是从参考对齐的轴的位置，Cⁿ_a(d)是从对齐框架（a）到导航框架（n）的水平旋转，r^a_r2i和r^a_r2i(d)是在对准框架中测量的标称偏移和动态偏移，d是参考截面链的参考距离。

2.2.3. 双IMU架构

除了轨道导航之外，由轨道几何数据或不准确引起的错误重复运行之间不一致的偏移限制了系统性能。这个问题由双IMU架构在参考轴上使用额外的IMU来解决。这个的处理策略架构总结在图2中。参考IMU处理器处理对齐数据和速度更新，独立支持主处理器。

Figure 2. 双IMU架构

尽管通过附加参考IMU改进了轨道和对准数据，但是由列车轴补偿器的各种影响引起的列车运动是不确定的。导航精度的一致性有限。除了轨道对准的姿态和横向位置控制之外，沿轨道的位置和速度误差仍然是不确定的。

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[18111]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word