車載激光掃描式鐵路隧道成像系統(tǒng)

■ 劉維楨 李連東 孫淑杰

我國幅員遼闊、且多山區(qū)，為了克服地形不利因素或高程障礙物，縮短鐵路里程、提高行車速度、節(jié)省時間、提高運輸效率，在山嶺地區(qū)修建鐵路隧道的數(shù)量日益增加。利用相關(guān)設(shè)備連續(xù)對隧道襯砌表面?zhèn)麚p情況進(jìn)行檢測，并將檢測數(shù)據(jù)保存起來進(jìn)行分析判斷，可有效掌握隧道表面?zhèn)麚p的變化情況，及時消除影響運輸安全的隱患。車載激光掃描式鐵路隧道成像系統(tǒng)正是在此需求基礎(chǔ)上研發(fā)的。

1 車載激光掃描成像技術(shù)

激光掃描是依據(jù)數(shù)據(jù)采樣密度和空間分布要求，通過機(jī)械和光學(xué)掃描方式將激光測量光束按采樣要求精確投射到被測物體表面，并利用回波探測器探測目標(biāo)物的反射波，通過對反射波的信號處理獲取目標(biāo)物體信息的新型探測成像技術(shù)。車載激光掃描成像是以激光作為有源照射的主動遙感方式，這種方式較少受環(huán)境、氣候、目標(biāo)光照和對比度的影響，可以全天候工作，且由于激光的高亮度、高方向性和相干性，車載激光掃描成像可以獲得很高的空間分辨率。

激光測距是激光掃描技術(shù)的重要組成部分之一，其對激光掃描的定位和場景空間信息的獲取具有十分重要的作用。隧道成像系統(tǒng)利用激光掃描測量的數(shù)據(jù)點坐標(biāo)，判斷是否有物體侵入隧道的建筑限界，即完成了對隧道限界的動態(tài)、實時檢測。

車載激光掃描儀在獲取位置坐標(biāo)信息數(shù)據(jù)的同時，大都會記錄下各激光腳點反射的回波信號強(qiáng)度。由于不同物質(zhì)是不同的介質(zhì)組成，而不同介質(zhì)表面的反射系數(shù)也不同，決定了激光回波能量的多少。激光回波能量決定了回波強(qiáng)度信息的大小，轉(zhuǎn)換為灰度圖像，就會表現(xiàn)為不同灰度值。這樣，根據(jù)灰度值的不同，將不同的物質(zhì)區(qū)分開來。激光掃描成像就是基于此原理。

2 鐵路隧道成像系統(tǒng)

基于車載激光掃描技術(shù)的鐵路隧道成像系統(tǒng)主要由軌道小車、激光掃描傳感器、測量專用計算機(jī)、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器和軟件系統(tǒng)組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。

2.1 硬件設(shè)計

軌道小車是激光掃描傳感器的載具平臺，為激光掃描傳感器供電，并為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供距離采樣脈沖和速度、里程等信息；激光掃描傳感器通過機(jī)械結(jié)構(gòu)固定于軌道小車電池箱上，隨軌道小車的移動對隧道表面形成螺旋式的連續(xù)掃描采樣；測量專用計算機(jī)由專用的堅固型筆記本固定架固定于軌道小車上，與軌道小車、激光掃描儀連接；數(shù)據(jù)處理服務(wù)器是后端數(shù)據(jù)處理、分析的平臺。

圖1 鐵路隧道成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 軟件設(shè)計

軟件包括前端數(shù)據(jù)采集軟件和后端數(shù)據(jù)分析軟件。前端數(shù)據(jù)采集軟件用于現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的采集、快速整合和存儲；后端數(shù)據(jù)處理和分析軟件提取數(shù)據(jù)采集軟件采集的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析重組，形成二維、三維全息圖，同時進(jìn)行侵限判斷及相關(guān)報表的生成。軟件架構(gòu)見圖2。

數(shù)據(jù)采集軟件經(jīng)由傳感器驅(qū)動程序?qū)崟r獲取激光掃描傳感器的數(shù)據(jù)信息，軌道小車的脈沖信息（位置的準(zhǔn)確定位）、軌距和超高信息，并將數(shù)據(jù)快速合成、存儲。激光掃描儀的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集程序，數(shù)據(jù)包中每個被測點用于測量和成像的數(shù)據(jù)包括坐標(biāo)值數(shù)據(jù)和回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)。掃描儀輸出的數(shù)據(jù)與軌檢小車輸出的數(shù)據(jù)融合之后，生成一幀斷面掃描及軌道狀態(tài)數(shù)據(jù)。檢測數(shù)據(jù)生成流程見圖3。

后端數(shù)據(jù)分析軟件主要用于對數(shù)據(jù)的綜合分析處理，包含全息展示、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析與報表生成。其從前端數(shù)據(jù)采集軟件整合存儲的數(shù)據(jù)中提取強(qiáng)度信息數(shù)據(jù)，經(jīng)過灰度轉(zhuǎn)換，生成隧道內(nèi)表面的全息展示；距離信息經(jīng)過修正和坐標(biāo)變換，用于判斷被測點是否侵入限界，經(jīng)過復(fù)雜的邏輯分析與運算以二維、三維方式展示隧道的輪廓，并生成最終的檢測報表。采樣點的回波強(qiáng)度信息數(shù)據(jù)經(jīng)過以下幾個步驟的處理后轉(zhuǎn)換為像素灰度圖像：

（1）重采樣。把時間序列的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)陣列，每一個像素的灰度值用采樣點的回波強(qiáng)度值代替。

（2）濾波。當(dāng)回波強(qiáng)度低于設(shè)定閾值時，認(rèn)為當(dāng)前值無效。一般無效數(shù)據(jù)點是由于激光射到天空或是隧道通風(fēng)口等沒有形成回波造成的。

（3）去除奇異點。回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)中，有少數(shù)點的強(qiáng)度值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他點，屬于噪點數(shù)據(jù)。

（4）去除奇異點的處理。激光掃描噪聲中的主要成分是脈沖噪聲，對于這種噪聲，系統(tǒng)采用中值濾波法去除孤立點，并保持圖像的邊緣。

3 系統(tǒng)功能實測

鐵路隧道成像系統(tǒng)的實測現(xiàn)場選在動車所（見圖4），箭頭方向為軌道小車推行方向；動車所內(nèi)全息展示見圖5；三維展示見圖6；限界展示截圖見圖7。由于試驗現(xiàn)場不是鐵路隧道，故圖7生成的侵限展示無法判斷是否侵限，圖中紅色曲線是按標(biāo)準(zhǔn)單向隧道限界繪制，藍(lán)色曲線是在動車庫中實測的建筑物限界，圖中藍(lán)色的點是動車庫中弓網(wǎng)、金屬支架等建筑物。

圖2 軟件架構(gòu)示意圖

圖3 檢測數(shù)據(jù)生成流程

圖4 鐵路隧道成像系統(tǒng)實測現(xiàn)場工作情況

圖5 實測現(xiàn)場全息圖展示

圖6 實測現(xiàn)場三維展示圖

圖7 實測現(xiàn)場侵限展示圖

試驗過程中，在鋼軌上平穩(wěn)、勻速推行搭載了激光掃描儀及測量專用計算機(jī)的軌檢小車，實時采集周圍環(huán)境信息數(shù)據(jù)，并利用后端數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。系統(tǒng)設(shè)備運行穩(wěn)定，軟件操作簡便，能夠?qū)崟r準(zhǔn)確采集隧道斷面數(shù)據(jù)，并能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行全息圖展示、侵限與數(shù)據(jù)分析，生成相關(guān)數(shù)據(jù)報表，達(dá)到了隧道表面成像的要求。

4 結(jié)束語

鐵路隧道成像系統(tǒng)能夠完成鐵路隧道的連續(xù)、快速、準(zhǔn)確檢測，生成清晰的隧道斷面圖像。通過圖像識別等技術(shù)分析系統(tǒng)生成的圖像，能夠準(zhǔn)確判斷隧道表面?zhèn)麚p的情況及發(fā)展趨勢，制定有效的維修方案，對侵入限界的建筑物進(jìn)行整改，消除影響列車運行安全的隱患，保證鐵路運輸安全。

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