鄒文靜

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600)

1 移動三維激光掃描測量系統(tǒng)

1.1 技術(shù)特點

移動三維激光掃描系統(tǒng)是一種多傳感器技術(shù)集成的系統(tǒng)，主要包括三維激光掃描技術(shù)、GNSS/IMU組合導(dǎo)航(POS)定位定姿技術(shù)[1]，輔以軌道小車為載體，應(yīng)用于鐵路既有線測量。隨著科技的發(fā)展，激光掃描儀的掃描頻率和測距精度提高，POS系統(tǒng)定位定姿更加準確，為既有鐵路數(shù)字化三維實景復(fù)制的實現(xiàn)提供了支撐。

以本次研究項目所用設(shè)備為例，三維激光掃描參數(shù)如表1所示，IMU參數(shù)精度如表2所示：

三維激光掃描儀主要參數(shù) 表1

IMU主要性能參數(shù) 表2

圖1為移動三維激光掃描系統(tǒng)，其主要特點包括：

圖1 移動三維激光掃描系統(tǒng)

(1)通過設(shè)置三維激光掃描頻率調(diào)整點密度，使離散激光點呈現(xiàn)出連續(xù)表達的效果；

(2)高精度POS系統(tǒng)，提供了激光發(fā)射時刻準確的空間三維坐標和角度[2]，決定了三維激光點云數(shù)據(jù)的空間三維坐標精度；

(3)依據(jù)主動、被動和授時三種傳感器同步控制方法，統(tǒng)一時空基準[3]，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合。

(4)移動測量相較于常規(guī)走-停的測量方式，在既有線復(fù)測時用較少上道人員充分利用了天窗時間，獲得的數(shù)字化實景三維數(shù)據(jù)可在處理后供內(nèi)業(yè)交互使用，提取更多的既有線空間和屬性信息，起到了提高作業(yè)效率，減少人為干涉因素，滿足既有線復(fù)測時測量人員、設(shè)備與運營對安全的需求。

1.2 作業(yè)流程

如圖2所示，為三維激光掃描系統(tǒng)的作業(yè)流程，包括數(shù)據(jù)采集、點云解算和既有線信息提取三部分。

圖2 移動三維激光掃描儀作業(yè)流程

1.2.1 數(shù)據(jù)采集

移動三維激光掃描測量系統(tǒng)在采集前需要靜置5分鐘，目的在于初始化設(shè)備的定位定姿系統(tǒng)，并進行系統(tǒng)掃描頻率等參數(shù)的設(shè)置。

系統(tǒng)運行的同時，在項目控制網(wǎng)上架設(shè)基站進行靜態(tài)觀測，用于定位數(shù)據(jù)的后差分處理；由于采集的數(shù)據(jù)為WGS84坐標系，需要在設(shè)備可掃描區(qū)域進行靶標布設(shè)，通過水準測量獲取靶標的高程，用于進行掃描數(shù)據(jù)的高程改正，納入至工程坐標系。在作業(yè)結(jié)束時靜置5分鐘，確保數(shù)據(jù)的完整性與準確性[4，5]。

整個作業(yè)過程中可以調(diào)整行車速度或暫停，項目結(jié)束后進行數(shù)據(jù)下載。

1.2.2 點云解算

點云解算包括航跡解算、點云融合及靶標約束。

航跡解算。將基站數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換后，與移動站(小車)數(shù)據(jù)進行差分解算，將IMU數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換，通過時間同步信息進行軌跡解算，得到精確的POS數(shù)據(jù)[6～8]。根據(jù)POS解算分析報告，對定位精度、姿態(tài)精度、衛(wèi)星信號質(zhì)量、衛(wèi)星PDOP值等因素分析，對信號不好的位置進行點云預(yù)融合，查看是否存在扭曲變形，以便確認航跡解算精度后，導(dǎo)出最終成果POS。

點云融合。POS解算完成后，根據(jù)記錄的時間、空間位置、空間姿態(tài)，對激光掃描數(shù)據(jù)進行計算，依據(jù)激光點的時間距離信息，恢復(fù)出其三維坐標，即為點云融合。對于信號不好的區(qū)域，可以進行段落裁剪，單獨調(diào)整POS信息后重新進行點云融合。

靶標約束。點云融合完成后，需要利用靶標進行坐標系統(tǒng)約束。通常平面坐標采用常規(guī)投影計算即可獲得，但需要注意為了控制投影長度變形而設(shè)定的投影面高。點云數(shù)據(jù)中的靶標高程為大地高，為了獲得水準高，需要在解算軟件中進行靶標識別，并利用靶標的水準數(shù)據(jù)對高程進行改正，得到點云成果。

1.2.3 既有線信息提取

既有線信息提取主要包括線路平面、高程提取[9]；線路道岔信息提??；線路橫斷面提取；線路間距計算等。近似連續(xù)表達的高精度點云數(shù)據(jù)，在現(xiàn)實世界的客觀表達上細膩，使得基于鐵道基本參數(shù)模型與人工交互提取既有線信息成為可能[10]。

2 應(yīng)用實例

2.1 項目概況

某既有線增建二線項目長約50 km，涉及車站4座。既有鐵路建成已有30余年，經(jīng)過長久運營維護，設(shè)計資料、臺賬與現(xiàn)狀較為不符。需要對既有線進行復(fù)測，提供給相關(guān)專業(yè)進行增建二線設(shè)計。

線路運營工作較為繁忙，只有夜間2小時天窗時間?？紤]到項目工期、行車安全人員與儀器管理等方面因素，采用移動三維激光掃描系統(tǒng)進行既有線測量作業(yè)，實現(xiàn)既有線三維實景復(fù)刻后，將外業(yè)工作移至內(nèi)業(yè)開展。

項目沿線每2 km布設(shè)一個CPI點，共計32個，按照鐵路四等GNSS測量要求施測；水準點與CPI共點，高程控制網(wǎng)按照四等水準標準施測(1985國家高程基準)。平面坐標系統(tǒng)采用CGCS2000橢球高斯投影工程獨立坐標系統(tǒng)，滿足規(guī)范中投影變形要求。

2.2 既有線成果提取

激光點云數(shù)據(jù)處理完成后，可基于軌跡線文件和點云數(shù)據(jù)進行既有線信息提取?；驹頌椋和ㄟ^軌跡線文件按照1米間距提取軌面點，軌面點坐標和軌道參數(shù)(主要是掃描儀相對于左右軌的距離)進行鐵路中線擬合，擬合完成后根據(jù)既有線臺賬資料進行里程賦值。根據(jù)擬合的中線和點云數(shù)據(jù)，自動按照指定里程間距提取既有線軌中平面坐標和中平信息，中平一般直線段為左軌面高程、曲線段為內(nèi)軌面高程[11，12]。

三維激光掃描儀點云數(shù)據(jù)密度較大，能夠很好地表達出掃描的數(shù)據(jù)信息[13]。除了既有線平面和中平信息外，還可進行接觸網(wǎng)、道岔、等地物空間位置的人工交互獲取。主要提取地物如圖3～圖6所示。

圖3 軌道點云數(shù)據(jù)

圖4 接觸網(wǎng)點云數(shù)據(jù) 圖5 隧道點云數(shù)據(jù)

圖6 道岔點云數(shù)據(jù)

2.3 精度對比分析

采用三維激光移動掃描儀系統(tǒng)進行測量，可獲取三維坐標，測量過程如下：

(1)沿軌道線路布設(shè)標靶點[14]：圖7所示，標靶點采用黃白油漆相間涂抹，尺寸：寬度約 20 cm、長度約 35 cm；確保掃描儀能夠清晰掃描到標靶點(軌枕中間位置)；每隔 500 m左右布設(shè)一個標靶點(用于激光點云高程的檢核和控制)；標靶點高程按照四等水準施測。按照以上標準，南防線欽防段及欽州樞紐共布設(shè)標靶點354個，平均間距 420 m。

圖7 標靶點和標靶點測量圖

(2)移動激光掃描系統(tǒng)開始測量時，同時在CPI控制點上架設(shè)GNSS靜態(tài)基站，用于點云數(shù)據(jù)平面坐標的GNSS后差分控制。

(3)通過專用的后處理軟件得到高精度移動三維激光點云(點云精度滿足平、高 2 cm的規(guī)范要求)。

利用傳統(tǒng)的人工測量既有線方法與三維激光移動掃描儀測量既有線成果進行精度對比，其對比情況如下：

以“GNSS RTK+水準”利用傳統(tǒng)的人工測量方法抽檢4段(約 4.1 km)移動三維激光掃描儀測量數(shù)據(jù)。檢測段落情況如表3所示：

使用GNSS RTK檢核既有線中線測量的統(tǒng)計情況 表3

鑒于移動三維激光掃描數(shù)據(jù)平差后的成果，按要求提供了常規(guī)模式里程對應(yīng)的中線成果，與“GNSS RTK+水準測量”利用傳統(tǒng)的人工測量方法成果一一對應(yīng)。較差統(tǒng)計如表4所示。

移動三維激光掃描與GNSS RTK+水準測量的較差統(tǒng)計表 表4

2.3.1 中線

計算“GNSS RTK實測既有線中線坐標數(shù)據(jù)”與“對應(yīng)三維激光掃描儀測量中線坐標數(shù)據(jù)”之較差并進行統(tǒng)計。

兩種測量方式所得較差中誤差為 14.7 mm，X最大偏差為 26.9 mm，Y最大偏差為 27.7 mm，滿足限差 28 mm的要求。

圖8 移動三維激光掃描與GNSS RTK人工實測數(shù)據(jù)成果對比坐標差區(qū)間分布圖

2.3.2 中平

利用傳統(tǒng)水準測量方法，比較分析標靶點高程，如果測量結(jié)果高程對比小于 20 mm，此標靶點的高程共同作為控制點加入平差計算(當(dāng)大于 20 mm時，必須分析原因并采取必要的措施)，技術(shù)軌面高程。

通過對比，軌面高程較差中誤差為 ±13.4 mm，最大值為 32.1 mm(主要由既有線水準測量無尺墊所造成)；移動三維激光的軌道平順性優(yōu)于中平水準測量數(shù)據(jù)。

圖9 移動三維激光掃描與水準測量高程較差統(tǒng)計直方圖

移動三維激光掃描與GNSS RTK+水準測量相鄰點高差較差統(tǒng)計區(qū)間分布表 表5

高差較差統(tǒng)計分布如圖10所示。

圖10 移動三維激光掃描與水準儀測量相鄰點高差較差統(tǒng)計區(qū)間分布圖

2.3.3 道岔

移動三維激光掃描系統(tǒng)獲得的道岔岔尖、岔根點云不僅非常清晰、方便量測，而且便于復(fù)雜道岔的整體把握。

此次驗證，利用GNSS RTK對12個道岔岔心進行測量獲得的數(shù)據(jù)與激光點云數(shù)據(jù)測量岔心對比，最大差值為 3 cm，兩種測量方式成果數(shù)據(jù)吻合較好，精度相當(dāng)。

移動三維激光點云提取岔心與GNSS RTK測量岔心成果對比驗證 表6

續(xù)表6

岔心坐標差異對比如圖11所示：

圖11 移動三維激光點云提取岔心與GNSS RTK測量岔心成果對比圖

利用激光點云測量驗證既有線軌道統(tǒng)計 表7

根據(jù)兩種測量方法的驗證對比，三維激光掃描數(shù)據(jù)的精度與傳統(tǒng)測量方法精度相當(dāng)，滿足規(guī)范要求。

2.3.4 橫斷面

(1)既有線路基橫斷面測量精度驗證

利用GNSS RTK實測路肩斷面軌面點高程、砟肩、砟腳等高程與三維激光掃描點云數(shù)據(jù)斷面高程進行對比。

共檢測30處斷面，高程最大差值為 0.046 m，最小差值為 0.002 m，滿足規(guī)范精度要求。

點云數(shù)據(jù)提取的橫斷面數(shù)據(jù)與GNSS RTK方式測量的相同位置橫斷面數(shù)據(jù)進行對比，對比結(jié)果統(tǒng)計情況如下：

橫斷面高程數(shù)據(jù)對比差值統(tǒng)計表 表8

統(tǒng)計分布如圖12所示。

圖12 點云提取與GNSS RTK測量橫斷面成果高程較差區(qū)間分布

利用傳統(tǒng)的人工測量既有線方法與采用三維激光移動掃描儀進行測量的既有線成果進行精度對比，既有線中線測量成果最大差值小于限差 28 mm；軌面高程較差中誤差為 ±13.4 mm；岔心對比最大差值為 3 cm；橫斷面高程最大差值為 0.046 m，最小差值為 0.002 m；均滿足規(guī)范要求。表明，三維激光移動掃描儀測量精度與傳統(tǒng)的人工測量既有線方法精度一致。

3 結(jié) 語

移動三維激光掃描測量系統(tǒng)的平面和高程中誤差優(yōu)于2厘米，成果精度穩(wěn)定可靠，測量精度與傳統(tǒng)人工測量方法精度相當(dāng)，滿足既有線復(fù)測的需要。同時該系統(tǒng)測量速度快動態(tài)測量、效率較高，能夠高效率開展作業(yè)。點云數(shù)據(jù)能過能夠直觀、細致表達既有線及沿線地物現(xiàn)狀特征，以上特點較為適合鐵路等大型基礎(chǔ)設(shè)施測量工作的開展，但同時也應(yīng)該關(guān)注以下問題。

(1)移動三維激光掃描測量系統(tǒng)在進行工作時，由于運行平臺高度和沿線地物遮擋等限制，掃描范圍有限。既有線復(fù)測橫斷面需求較長時，可使用無人機Lidar結(jié)合移動三維激光掃描的技術(shù)方法進行作業(yè)，有效進行數(shù)據(jù)融合與互補。

(2)移動三維激光掃描測量系統(tǒng)所獲取的點云數(shù)據(jù)為海量數(shù)據(jù)，本項目中主要是基于人機交互的方法進行既有線信息提取，將外業(yè)工作量轉(zhuǎn)移至內(nèi)業(yè)，降低了安全風(fēng)險。但同時，由于鐵路設(shè)備設(shè)施具有比較明顯的特點，可進一步開展數(shù)據(jù)處理算法研究，基于模型特征從點云中提取計算鐵路設(shè)施設(shè)備的空間位置，進一步提高自動化程度。

(3)移動三維激光掃描的成果，可以作為鐵路發(fā)展的歷史數(shù)據(jù)，納入鐵路運營系統(tǒng)的信息化管理中，成為中國鐵路發(fā)展史中重要的歷史支撐資料。