背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)在鐵路勘測中的應(yīng)用

王培峰

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430063）

1 引言

隨著測繪裝備和技術(shù)的快速發(fā)展，鐵路勘測任務(wù)的作業(yè)效率、測量精度和成果質(zhì)量顯著提升，有效推動了鐵路勘察設(shè)計(jì)向信息化、自動化和智能化方向發(fā)展［1］。當(dāng)前鐵路勘測已初步形成“空－天－地”一體化的數(shù)據(jù)測量與處理體系，能夠完成地形、地貌、居民地、水系、交通、植被、重點(diǎn)設(shè)施等的空間位置和屬性信息的采集和獲取工作。在太空層，利用高分辨率衛(wèi)星影像、衛(wèi)星測量定位技術(shù)、合成孔徑雷達(dá)干涉測量InSAR技術(shù)等獲取對地觀測數(shù)據(jù)［2－3］；在天空層，利用航空攝影測量、無人機(jī)傾斜攝影測量、機(jī)載激光雷達(dá)等方法獲取豐富、全面的勘測數(shù)據(jù)［4－5］；在地表層，利用三維激光掃描、無人船、軌道測量車等技術(shù)采集精細(xì)、高精度的測量成果［6－7］。

綜合利用當(dāng)前的各種測量手段能夠基本滿足鐵路勘察設(shè)計(jì)要求，然而在隧道、涵洞、礦坑以及樹木遮擋嚴(yán)重等環(huán)境下，目前常用的新型測量手段往往無法覆蓋到。采用傳統(tǒng)測量手段（GNSS RTK、全站儀等）進(jìn)行補(bǔ)充測量時(shí)，存在外業(yè)測量工作量大、作業(yè)周期長、測量點(diǎn)密度稀疏等問題［8－9］。因此，本文將探討背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)在鐵路勘測中的應(yīng)用，為鐵路勘測提供新的測量手段，對現(xiàn)有鐵路勘測體系進(jìn)行有效補(bǔ)充，進(jìn)一步提高鐵路勘測效率和成果質(zhì)量。

2 背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)

背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)是以3D SLAM（Simultaneous Localization and Mapping，同時(shí)定位與地圖構(gòu)建）技術(shù)為基礎(chǔ)，集成三維激光掃描儀、慣性導(dǎo)航單元IMU等傳感器可背負(fù)式的集成測量系統(tǒng)［10］。該系統(tǒng)能夠在未知環(huán)境中對自身定位的同時(shí)，根據(jù)自身姿態(tài)以及從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中匹配的環(huán)境特征實(shí)現(xiàn)對周圍場景地圖構(gòu)建，從而快速采集得到三維地理信息數(shù)據(jù)［11－12］。

背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)根據(jù)搭載的傳感器類型和處理技術(shù)的不同，主要可以分為三種類型：（1）純SLAM技術(shù)。無GNSS和IMU等定位定姿傳感器，單純依靠SLAM技術(shù)結(jié)合點(diǎn)云拼接算法，動態(tài)解算自身位置和姿態(tài)，最終得到三維場景點(diǎn)云數(shù)據(jù)。（2）SLAM＋I(xiàn)MU。純SLAM技術(shù)的背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)在場景紋理單一、特征點(diǎn)少的環(huán)境下精度較低，使用SLAM技術(shù)結(jié)合IMU的姿態(tài)信息對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配拼接，可以有效提高整體點(diǎn)云的定位精度。（3）SLAM＋GNSS＋I(xiàn)MU。該類型的背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)在室外開闊地段有GNSS信號時(shí)進(jìn)行組合定位解算，在室內(nèi)、隧道、地下空間等無GNSS信號時(shí)利用SLAM技術(shù)結(jié)合IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，增強(qiáng)了適用性。

當(dāng)前背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)的相對定位精度在2～3 cm，絕對定位精度5 cm左右，能夠滿足很多鐵路勘測任務(wù)的精度要求。背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)可由人員背負(fù)實(shí)施測量，且不依賴GNSS定位信息，可以快速高效地采集目標(biāo)對象密集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在室內(nèi)、隧道、地下空間等無GNSS信號等場景下，利用背包式移動三維激光掃描測量相比傳統(tǒng)測量手段具有以下優(yōu)勢：

（1）無需設(shè)站，人工背負(fù)行走測量，僅需1人，操作簡便，測量效率高，可快速獲得高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

（2）內(nèi)業(yè)處理計(jì)算自動化程度高，可快速獲得密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，高效提取地物特征點(diǎn)坐標(biāo)；而傳統(tǒng)方法測點(diǎn)稀疏、測量效率低。

（3）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，特別適用于室內(nèi)、隧道、地下空間等無GNSS信號等復(fù)雜環(huán)境的測量工作。

3 測量實(shí)施方案

基于背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)的鐵路勘測工作包括外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)生產(chǎn)兩個(gè)部分，具體測量流程如圖1所示。

圖1 基于背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)的勘測流程

（1）測區(qū)劃分：按照測量任務(wù)要求，根據(jù)現(xiàn)有測量設(shè)備數(shù)量、設(shè)備續(xù)航能力、人員等情況對測區(qū)進(jìn)行合理劃分，規(guī)劃安排好每個(gè)測區(qū)的測量區(qū)域范圍、測量時(shí)間、設(shè)備和人員。

（2）路線規(guī)劃：利用遙感影像、在線地圖并結(jié)合現(xiàn)場踏勘情況，規(guī)劃移動測量路線，以盡量短的行程完成測區(qū)測量，同時(shí)保證待測對象能夠完整被采集到，避免返工。

（3）控制點(diǎn)布設(shè)與測量：根據(jù)測區(qū)空間分布以及測量路線在合適位置布設(shè)一定數(shù)量的控制點(diǎn)，并采集測量控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

（4）外業(yè)數(shù)據(jù)采集：按照制定的路線利用背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，采集過程對地物盡量覆蓋全面，對于重點(diǎn)設(shè)施可進(jìn)行局部細(xì)致采集。

（5）數(shù)據(jù)拼接：利用SLAM算法對原始坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)和慣性導(dǎo)航測量數(shù)據(jù)等進(jìn)行處理，再利用點(diǎn)云拼接算法處理得到測區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

（6）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：在拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中標(biāo)選控制點(diǎn)位置并輸入實(shí)際三維坐標(biāo)后進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)整體坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)換到實(shí)際工程坐標(biāo)系中。

（7）精度校核：在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中量測檢查點(diǎn)的坐標(biāo)，與實(shí)測的檢查點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行精度校核，坐標(biāo)偏差在精度要求范圍內(nèi)才可進(jìn)行后續(xù)制圖，否則檢查數(shù)據(jù)重新處理。

（8）點(diǎn)云測圖：將處理完成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到制圖軟件中，根據(jù)測量任務(wù)需求對地物按規(guī)范要求進(jìn)行制圖。

（9）成果檢查與提交：對制圖成果進(jìn)行質(zhì)量檢查，合格后提交測量成果。

4 鐵路勘測中的應(yīng)用

背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)具有操作簡單、作業(yè)效率高、成果精度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，僅需1人便可完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集，作業(yè)效率是常規(guī)測量手段的3～5倍，為鐵路勘測提供了一種新的測量技術(shù)手段，具有良好的應(yīng)用前景，本文選取部分典型應(yīng)用進(jìn)行介紹。

4.1 地形測量

地形圖是鐵路線路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料，一般需要制作1∶2 000地形圖和1∶500工點(diǎn)圖，常規(guī)測量方法采用航空攝影測量制圖、機(jī)載激光掃描制圖等方法完成大面積的地形圖制圖工作。當(dāng)遇到線路調(diào)線后，需要小范圍補(bǔ)測或者被遮擋區(qū)域補(bǔ)測等任務(wù)時(shí)，背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)作業(yè)靈活，不受天氣條件限制，可隨時(shí)作業(yè)，能夠快速完成地形采集。采集完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，最后導(dǎo)入測圖軟件中進(jìn)行制圖（見圖2a），按規(guī)范要求生成DLG數(shù)字線劃圖等成果（見圖2b）。背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)定位精度在5 cm左右，基本可以滿足1∶2 000地形圖和1∶500工點(diǎn)圖的精度要求。

圖2 地形測量

4.2 斷面測量

鐵路橫斷面測量的目的是測定線路中樁處垂直于中線方向的地形起伏狀況，用于線路、路基的設(shè)計(jì)以及土石方量計(jì)算。由于鐵路線路長，斷面數(shù)量眾多，傳統(tǒng)使用人工RTK測量方式效率低、任務(wù)繁重，從航空攝影立體像對中量測只能人工逐個(gè)繪制無法批量處理，基于機(jī)載激光雷達(dá)測量可以快速批量生產(chǎn)斷面，但在樹木茂密區(qū)域遮擋嚴(yán)重、精度低。基于背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)可以有效彌補(bǔ)機(jī)載激光雷達(dá)測量的盲區(qū)，從而全覆蓋、快速、高精度完成斷面測量?；诒嘲揭苿尤S激光掃描系統(tǒng)采集得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，按照設(shè)計(jì)線路在中樁位置提取對應(yīng)的斷面點(diǎn)云（見圖3a），自動化對斷面點(diǎn)云進(jìn)行分類處理提取地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)（見圖3c），最后基于地面點(diǎn)云生成斷面成果（見圖3b）。

圖3 橫斷面測量

4.3 房屋拆遷調(diào)查

房屋拆遷調(diào)查是鐵路勘察設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，房屋面積測量的準(zhǔn)確性對拆遷賠償、工程投資等有較大影響。傳統(tǒng)的房屋拆遷調(diào)查需要測量人員結(jié)合航空影像在現(xiàn)場對房屋進(jìn)行逐一測量統(tǒng)計(jì)并登記，這種測量方式效率低、外業(yè)工作量大。當(dāng)前也有利用無人機(jī)傾斜攝影測量方式進(jìn)行房屋面積測量，這種方式成本高、易受遮擋導(dǎo)致盲區(qū)較多。基于背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)可以沿著房屋周圍移動測量，快速獲取房屋的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過分類處理后提取房屋層點(diǎn)云數(shù)據(jù)（見圖4a），然后按照制圖要求基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行房屋DLG繪制（見圖4b），同時(shí)也能從點(diǎn)云中測量房屋高度、層數(shù)等信息（見圖4c）。

圖4 房屋測量

4.4 橋墩測量

高架橋橋墩的位置和高度影響著鐵路線路的設(shè)計(jì)，由于橋墩被橋面所遮擋，基于機(jī)載的測量手段無法有效對橋墩進(jìn)行測量，同時(shí)還有些高架橋凈空高度低、橋下環(huán)境復(fù)雜，利用小型無人機(jī)測量的方法作業(yè)困難；同時(shí)橋下無GNSS信號，橋墩測量一般采用傳統(tǒng)的全站儀測量方式，測量工作量大、作業(yè)時(shí)間長。采用基于背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)的測量手段，無需GNSS信號可以在橋下快速掃描得到橋墩的三維點(diǎn)云場景數(shù)據(jù)（見圖5a），可以從點(diǎn)云場景中獲取橋墩高度等信息，然后用水平切面工具提取橋墩截面點(diǎn)云數(shù)據(jù)（見圖5b），最后繪制DLG成果圖（見圖5c）。

圖5 橋墩測量

4.5 涵洞丈量

在鐵路勘測過程中需要對涵洞的位置、凈空高度等信息進(jìn)行采集，而涵洞在航測數(shù)據(jù)中通常被坡體遮擋，一般采用全站儀現(xiàn)場測量，作業(yè)效率較低。利用背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)可以一次采集涵洞外部以及內(nèi)部的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)（見圖6a），在制圖軟件中導(dǎo)入涵洞場景的點(diǎn)云完成DLG成果圖（見圖6b），利用斷面工具生成涵洞斷面點(diǎn)云，然后基于斷面點(diǎn)云繪制涵洞斷面成果圖（見圖6c），量測涵洞的長、寬、高等數(shù)據(jù)。

圖6 涵洞丈量

4.6 高壓塔線測量

在鐵路勘測工作中高壓塔線測量需要完成電塔位置、高程、塔線高度等測量工作。使用背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)在掃描測量地形和斷面時(shí)可以同步采集得到高壓塔線的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中截取生成高壓塔線的橫截面數(shù)據(jù)（見圖7a），根據(jù)斷面點(diǎn)云直接測量電塔高程、塔高、線高等數(shù)據(jù)。另外，從俯視圖點(diǎn)云中可以直接進(jìn)行電塔DLG制圖，獲得電塔位置、線路走向等信息（見圖7b）。

圖7 高壓塔線測量

5 工程應(yīng)用

滬渝蓉高鐵合肥至武漢段（合武高鐵）線路全長352.857 km，其中湖北段新建正線長160.302 km。在合武高鐵湖北段的勘測工作中，為適應(yīng)鐵路勘察設(shè)計(jì)對三維數(shù)字化勘測成果的需求，綜合使用激光雷達(dá)、傾斜攝影、GNSS等新興測繪技術(shù)快速獲取大范圍三維空間數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)自動化或半自動化提取三維空間數(shù)據(jù)中的相關(guān)特征信息，快速生成計(jì)算機(jī)可識別的數(shù)字化勘測產(chǎn)品，為鐵路二維、三維和BIM設(shè)計(jì)提供勘測數(shù)據(jù)服務(wù)。

為填補(bǔ)航空攝影測量和機(jī)載激光雷達(dá)測量的盲區(qū)以及進(jìn)一步提高勘測的效率和信息化水平，在合武高鐵湖北段開展了基于背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)測量實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用，用于線路斷面測量、房屋拆遷調(diào)查、橋涵測量等工作。為了驗(yàn)證基于背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)測量的精度，同常規(guī)GNSS RTK、全站儀等測量方法對部分測量成果進(jìn)行精度比較驗(yàn)證，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 精度驗(yàn)證

從表1可以看出，背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)的測量精度能夠滿足鐵路勘察中對于橫斷面測量、房屋拆遷調(diào)查、橋墩測量等任務(wù)的精度要求，可以對常規(guī)外業(yè)作業(yè)時(shí)間長、測量繁瑣的測量方法進(jìn)行有效地更新替代，能夠更加高效率地完成相關(guān)的鐵路勘測任務(wù)。

6 結(jié)束語

隨著鐵路勘察設(shè)計(jì)向著自動化、智能化的方向發(fā)展，鐵路勘察測量工作已經(jīng)初步構(gòu)建完成了“空－天－地”一體化的數(shù)據(jù)采集體系。背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)作為一種新興的測繪手段，能夠?qū)ΜF(xiàn)有測量方法進(jìn)行有效補(bǔ)充。本文結(jié)合地形測量、斷面測量、房屋拆遷調(diào)查、橋墩測量、涵洞丈量等勘測任務(wù)介紹了背包式移動三維激光掃描系統(tǒng)在鐵路勘測中的應(yīng)用，并在合武高鐵湖北段進(jìn)行精度驗(yàn)證，證明了該方法的有效性，具有廣闊的應(yīng)用前景。