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背景介绍
铁路是国民经济发展的大动脉，对改善地区交通状况，拉动区域经济发展有着重要的作用。铁路运输的高效性、安全性和经济性等特点，决定了铁路在我国综合交通体系中的骨干地位。
随着铁路建设迅猛的发展，目前我国已拥有4万多公里高铁、12万多公里普铁、近万公里的轨道交通。随着铁路交通线路的逐步完善，我国基础设施也正从大规模建设向精细化养护逐步转变。
行业痛点及难点
目前我国铁路养护运维面临的问题有：
➡ 建设里程长：高铁线路、普铁线路及市内轨道交通线路一起有近17万公里；
➡ 测量要素多：测量内容包括线路测量、站场测量、桥涵测量、隧道测量、附属设施测量、断面测量等等，要素多，体量大；
➡ 测量精度高：平面及高程精度需达到厘米级；
➡ 作业天窗时间短：每天施工及维修天窗期只有2~4小时。
利用传统测量方法无法在的天窗时间内有效完成既定测量工作，还会面临要素测量遗漏、反复上线等问题。随着铁路设施的老化以及对运力需求的增加，需要在不影响正常运营的情况下对既有线进行快速、全面、高频次地测量。
解决方案
激光雷达技术具有采集效率高、数据获取范围广、数据精度高、非接触测量、易操作等特点可在不影响铁路正常运营的情况下，实现快速、精确的勘测，为既有铁路线测量提供了新的技术支撑。
3.1 设备选择
目前多采用机载激光测量系统或者车载激光测量系统对铁路及沿线进行扫描测量，同时可利用便携式激光雷达测量系统进行补充测量。
1、机载激光测量系统
机载激光测量系统多采用旋翼机或垂起固定翼飞机搭载，完成铁路线的快速三维激光扫描及正射影像获取。
LiAir H800
机载点云数据效果
2、车载激光测量系统
在一些禁飞区，或者对精度要求非常高的测量场景，多采用车载激光测量体统。将其搭载于轨道小车或拖车上，随轨道车一起进行测量工作。可同步获取铁路沿线的高精度三维激光点云数据和全景影像数据。
LiMobile M1
车载点云数据效果
3、便携式slam激光测量设备
在一些较小的测量场景，可利用便携式激光雷达测量系统进行铁路沿线地补充测量，这种方式比较灵活、高效，机动性强。可同时获取高精度三维激光点云数据和全景影像数据。
LiGripH300
点云数据效果
三种测量手段的优劣势对比：
3.2 软件选择
LiDAR360MLS是数字绿土自主研发的三维要素提取及分析软件，可灵活衔接市面上主流的多型号车载、背包或手持等移动测量设备采集的激光雷达点云与影像数据。软件基于高效的海量点云数据索引结构和人工智能算法，进行点云数据编辑、提取、分析等处理及道路要素目标的三维矢量化，具有“功能齐全、操作快捷、智能高效、交互友好”等特点，形成了完整的点云数据处理、高精地图、道路资产普查等生产链。软件导出的成果数据可衔接多种GIS、CAD、仿真平台，可广泛应用于高精度地图生产、立面测量、道路普查和养护等领域。LiDAR360MLS软件，根据激光雷达数据，结合铁路场景特点针对数据处理难点，提供了从点云处理→铁路要素快速提取→铁路三维分析等完整的解决方案。
LiDAR360MLS软件功能
3.3 要素提取及分析
1、点云分类
LiDAR360MLS软件提供铁路场景点云分类模型，可分离地面点、轨道、火车、植被、电力线、杆状物、建筑等共计11种铁路场景下常见类别，模型适配各种平台采集的点云数据，分类精度可达90%。
铁路场景点云自动分类模型
点云自动分类效果
2、既有铁轨及中线快速提取
利用【铁轨探测】功能，基于分类后的数据，可一键式全自动探测铁轨及铁轨中线，50s可获得1.5km的一组既有铁路轨线及对应的中线。
轨道线自动提取
提取的轨道线与轨道面匹配准确
3、铁路场景其他要素提取
a．铁路电线探测：利用【电力线探测】功能，可自动进行电力线探测，生成电力线矢量数据，每分钟可提取多根1.5km的电力线。
电力线自动探测
b．铁路接触网立柱：利用【杆状物探测】功能，可基于分类后的数据，批量提取杆状物矢量。
接触网立柱提取
c、铁路净空分析：利用【净空分析】功能，可模拟目标地物所占三维空间大小，计算与任意地物可能发生“安全隐患”的位置，输出专业的成果分析报告。在铁路场景中，可基于已提取的铁轨矢量线分析车辆运行路径上，指定三维空间范围内，是否存在行车碰撞安全隐患。也可分析铁路上的电力线与周边的植被，防止植被生长引发电力线安全事故。
净空分析功能
净空分析报告
d、铁路电力线限高分析：限高分析可对结构物的高度进行分析，确定其是否符合相关规定或限制条件，在铁路场景中，利用【电力线限高分析】功能，可对架空线路进行限高分析，评估每段线路最小/大可通行高度，保障铁路安全。
电力线限高分析
限高分析报告
e、铁路断面三维分析：基于既有铁轨矢量线和分类后的点云数据，可根据需求设定断面分析的步长、宽度、厚度等参数，生成铁路横纵断面，并可对每个断面节点进行编辑。
基于生成的铁路横纵断面，可分别精确计算下表中的断面参数，共同反应道路表面质量与参数。若存在多期断面，还可进行多期断面对比分析，得到超欠挖等参数。
通过计算得到的横纵断面及其参数均可导出，如断面可导出DXF格式，用CAD等第三方软进行开查看。
断面图
3.4 方案总结
1.通过激光雷达设备进行既有线复测，区间内作业员无需上道作业与传统作业方法相比安全性更高。
2. 在有限的作业“天窗时间”内，激光雷达设备能够快速获取长距离铁路沿线点云及影像，覆盖范围广，作业效率高。
3. 通过LiDAR360MLS软件可以对点云进行自动分类，获取铁路沿线要素主要类别，自动提取并绘制轨道线、轨道中心线、电杆、电力线等要素的矢量成果。可快速提取坡度、曲率、转弯半径等参数，且支持人机交互式编辑。
4. 基于点云数据生成高精度的DEM可作为基础数据，用于各类铁路监控、维护、运营系统，通过对比两期数据拟合样条曲线，即可计算两期铁路线的变化点与变化量，得到增线、改线、落坡和全线的区域性沉降结果。
5. 断面分析功能可基于点云数据提取纵、横断面，基于参考断面线生成断面图，可根据需要选择实测数据和设计数据，生成真实断面图，有利于开展三维设计工作。
6. 利用点云进行铁路及沿线的净空分析、电力线限高分析等，可快速获取铁路沿线实时工况现状，为铁路安全运行提供准确的数据依据。
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