車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在鐵路線測(cè)量中的應(yīng)用

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車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在鐵路線測(cè)量中的應(yīng)用

李雪義1，翟玉平1，田源2

(1. 烏魯木齊市國(guó)土資源勘測(cè)規(guī)劃院，新疆 烏魯木齊 830002； 2. 拓佳豐圣(上海)科貿(mào)有限公司，上海 200000)

一、引言

車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)集成GNSS、IMU慣性導(dǎo)航單元、三維激光掃描、影像處理、攝影測(cè)量、地理信息系統(tǒng)及集成控制等高新技術(shù)，通過(guò)三維激光掃描采集空間信息，全景照相獲取影像，由衛(wèi)星及慣性定位確定影像的位置姿態(tài)等測(cè)量參數(shù)，最終在影像上實(shí)現(xiàn)虛擬測(cè)量，完成測(cè)繪任務(wù)。目前，車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)已成為應(yīng)用廣泛的地面測(cè)繪手段。

蘭新鐵路新疆段作為全疆鐵路重要的骨干線路，全線封閉運(yùn)行，是通往內(nèi)地的鐵路生命線。烏魯木齊管轄從烏西三坪車(chē)站到甘肅境內(nèi)的柳園鐵路線路，全長(zhǎng)約830 km。為了完成鐵路資產(chǎn)確權(quán)與核準(zhǔn)工作，筆者所在單位承擔(dān)了蘭新鐵路從河西站至烏魯木齊西站共計(jì)36站(場(chǎng))的鐵路土地使用權(quán)線路測(cè)繪工作。由于項(xiàng)目要求工期緊，時(shí)間又是冬季，天氣寒冷，且沿途環(huán)境惡劣，途徑“百里風(fēng)區(qū)”“無(wú)人區(qū)”等區(qū)域，采用常規(guī)作業(yè)的方式完成鐵路線路測(cè)量的難度大。經(jīng)過(guò)調(diào)研，最終決定采用拓普康IP-S2 compact+車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)采集并測(cè)量鐵路沿線的地理基礎(chǔ)信息，這也是筆者所在單位首次利用車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)施的鐵路線路測(cè)量工程。

二、項(xiàng)目設(shè)計(jì)與車(chē)載設(shè)備改造

筆者所在單位根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況，與鐵路局技術(shù)人員認(rèn)真分析沿途線路的線路運(yùn)行、環(huán)境保護(hù)、人員安全、沿線設(shè)施等方面的狀況，組織相關(guān)技術(shù)人員研究項(xiàng)目各個(gè)環(huán)節(jié)的詳細(xì)實(shí)施步驟，編制項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)和實(shí)施方案，確保項(xiàng)目順利開(kāi)展。

1. 項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)

項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)以地籍測(cè)量相關(guān)規(guī)范為準(zhǔn)，緊緊圍繞鐵路線路運(yùn)行與三維激光掃描設(shè)備測(cè)量工作要求進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)，主要包含以下兩方面。

(1) GNSS基準(zhǔn)站的站點(diǎn)設(shè)計(jì)與聯(lián)測(cè)計(jì)劃

為了配合拓普康三維激光掃描設(shè)備的正常工作，結(jié)合設(shè)備要求，需要在每個(gè)車(chē)站之間設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)GNSS基準(zhǔn)站，每個(gè)GNSS基準(zhǔn)站需與已有1980西安坐標(biāo)的控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)，解算GNSS基準(zhǔn)站的1980西安坐標(biāo)，用來(lái)與三維激光掃描設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)差分計(jì)算。火車(chē)行車(chē)?？颗c出發(fā)時(shí)間間隔不超過(guò)50 min，為了保證差分解算的精度，各車(chē)站間距不宜超過(guò)30 km，火車(chē)行車(chē)速度不宜超過(guò)65 km/h。依據(jù)這些基本要素?cái)?shù)據(jù)，筆者所在單位完成了項(xiàng)目整體方案的規(guī)劃與設(shè)計(jì)，車(chē)站與GNSS基站點(diǎn)布設(shè)分布如圖1所示。

(2) 鐵路車(chē)輛運(yùn)行與三維激光掃描工作實(shí)施

依據(jù)此次鐵路線路測(cè)量的要求及政府部門(mén)的相關(guān)規(guī)定，本文將整體測(cè)量工作按鐵路測(cè)量要求分為上行和下行兩部分進(jìn)行。總體時(shí)間安排為上行工程3 d，下行工程3 d，在甘肅省柳園縣進(jìn)行設(shè)備的整體調(diào)轉(zhuǎn)。由鐵路局制定車(chē)輛的行駛時(shí)間表，開(kāi)行鐵路測(cè)量專(zhuān)列，測(cè)量工作人員及配合人員均按行車(chē)時(shí)刻表進(jìn)行工作任務(wù)的分配。

圖1　車(chē)站與GNSS基站點(diǎn)布設(shè)分布圖

2. 車(chē)載設(shè)備改造

由于拓普康車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)常規(guī)承載平臺(tái)為汽車(chē)，全國(guó)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在火車(chē)上的應(yīng)用都鮮有成功實(shí)施案例，因此為了保證設(shè)備在火車(chē)上的正常運(yùn)行，各方技術(shù)人員就設(shè)備各部件的安裝與調(diào)研進(jìn)行了研究，解決了安裝過(guò)程中的多項(xiàng)難題。

(1) 人員及操作室

采用“軌道車(chē)+平板車(chē)+集裝箱”的方式來(lái)保障人員、設(shè)備等在行駛過(guò)程的安全與操作。將集裝箱作為測(cè)量人員的操作室，集裝箱加裝固定鋼繩。設(shè)備電源由軌道車(chē)進(jìn)行不間斷供電。此舉可進(jìn)一步保護(hù)測(cè)量人員在火車(chē)運(yùn)行中的人身安全，提升整體作業(yè)舒適度。

(2) 設(shè)備的安裝與調(diào)試

將拓普康車(chē)載移動(dòng)三維激光掃描設(shè)備安裝在平板車(chē)的尾部。依照鐵路部門(mén)相關(guān)規(guī)定，電氣化鐵路上線車(chē)輛任何承載物體均不得超過(guò)車(chē)頭高度，因此筆者所在單位根據(jù)集裝箱的高度，采用CAD模塊化定制一臺(tái)鋼架，將其固定在平板車(chē)尾部的木板上，鋼架均使用螺絲與木板牢牢固定。頂部加裝厚橡膠底，用于減少平板車(chē)對(duì)鋼架及設(shè)備的震動(dòng)。三維掃描設(shè)備的安裝與調(diào)試如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)處理流程

(3) 車(chē)輪編碼器的安裝與調(diào)試

拓普康車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)包含兩只車(chē)輪編碼器，可進(jìn)一步抵消車(chē)輛轉(zhuǎn)向過(guò)程中的內(nèi)外輪徑差，用于對(duì)車(chē)輛行駛距離的量測(cè)，但依據(jù)鐵路安全運(yùn)行相關(guān)管理辦法，火車(chē)車(chē)輪不能進(jìn)行更換螺絲螺母和電焊作業(yè)，更不能隨意更換部件。后經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)充分討論與研究，自行設(shè)計(jì)出適合火車(chē)車(chē)輪的相關(guān)部件，最終可使車(chē)輪編碼器在不破壞原有火車(chē)車(chē)輪的情況下固定在車(chē)輪上，并保持車(chē)輪編碼器與火車(chē)輪同心轉(zhuǎn)動(dòng)。

三、三維激光掃描數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)預(yù)處理

拓普康 IP-S2 compact+移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)集成度非常高， 在采集過(guò)程中僅需通過(guò)使用一款采集軟件即可對(duì)全部傳感器狀態(tài)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可同步瀏覽實(shí)時(shí)采集成果。自動(dòng)化后處理軟件模塊簡(jiǎn)單，無(wú)須過(guò)多人工操作，簡(jiǎn)單易學(xué)，輕松掌握。

1. 數(shù)據(jù)采集

使用拓普康移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)配套數(shù)據(jù)采集軟件只需要設(shè)定數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)目錄，檢查設(shè)備各傳感器運(yùn)行狀況，火車(chē)在較短時(shí)間行駛速度達(dá)到25 km/h后，完成車(chē)輪編碼、慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始化即可開(kāi)始正常作業(yè)。在火車(chē)上進(jìn)行掃描測(cè)量時(shí)，操作室內(nèi)技術(shù)人員與火車(chē)司機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)講，以保證火車(chē)開(kāi)行速度能夠滿足設(shè)備的工作要求。

2. 數(shù)據(jù)預(yù)處理流程

使用拓普康Geoclean Workstation進(jìn)行項(xiàng)目數(shù)據(jù)的預(yù)處理，將掃描數(shù)據(jù)、慣導(dǎo)數(shù)據(jù)、照片數(shù)據(jù)、GNSS數(shù)據(jù)等進(jìn)行數(shù)據(jù)差分解算、點(diǎn)云融色與輸出、全景數(shù)據(jù)坐標(biāo)賦值、點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與分類(lèi)等方面工作。數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示，拓普康IP-S2 compact+真彩色三維激光點(diǎn)云成果如圖4所示。

圖3　數(shù)據(jù)處理流程

四、線劃圖DLG數(shù)據(jù)編繪與成果應(yīng)用

蘭新鐵路新疆段各段點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大、分類(lèi)處理時(shí)間較長(zhǎng)，獲得的三維點(diǎn)云原始數(shù)據(jù)超過(guò)300 GB，三維全景數(shù)據(jù)超過(guò)400 GB。依據(jù)項(xiàng)目要求，主要將掃描數(shù)據(jù)中的鐵路數(shù)據(jù)提取及編繪出來(lái)，以滿足鐵路線路地籍圖與宗地圖、面積計(jì)算與統(tǒng)計(jì)工作。

1. 點(diǎn)云DLG線劃數(shù)據(jù)采集與編繪

采用PointTools軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與DLG線劃數(shù)據(jù)的繪制，用WALK軟件進(jìn)行DLG線劃數(shù)據(jù)的符合性檢查、地籍圖與宗地圖的制作、線路面積計(jì)算與統(tǒng)計(jì)等工作，如圖5所示。

2. GIS數(shù)據(jù)更新與應(yīng)用

利用筆者所在單位的測(cè)繪生產(chǎn)管理系統(tǒng)和WALK軟件，將城鎮(zhèn)地籍GIS庫(kù)中烏魯木齊地區(qū)的鐵路線路數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，完善GIS數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖6所示。

圖4　拓普康IP-S2 compact+真彩色三維激光點(diǎn)云成果

圖5　宗地圖

圖6　院二調(diào)城鎮(zhèn)GIS數(shù)據(jù)庫(kù)

五、車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用

此次使用拓普康移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在蘭新鐵路上的測(cè)圖項(xiàng)目是車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的成功應(yīng)用，進(jìn)一步提升了移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在多種領(lǐng)域中的應(yīng)用。除鐵路測(cè)量外，移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的主要應(yīng)用方向還有：

1) 工程測(cè)繪：基礎(chǔ)地形測(cè)繪，斷面圖，邊坡安全監(jiān)測(cè)，土石方計(jì)算，坡度、坡向的計(jì)算，高分辨率的全景影像進(jìn)行專(zhuān)業(yè)調(diào)查，地質(zhì)判視等。

2) 基礎(chǔ)地理信息的采集：快速獲得城市全景影像及點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在城市道路管理、高速公路資產(chǎn)管理、城市運(yùn)輸凈空管理、城市部件調(diào)查等方面，將會(huì)大大提高工作效率。

3) 城市二三維GIS建設(shè)：快速獲取的點(diǎn)云與全景影像不僅可以用于二維GIS數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集與更新工作，而且可以構(gòu)建三維虛擬場(chǎng)景、城市建模，方便進(jìn)行城市規(guī)劃、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、實(shí)景旅游等工作。

4) 其他：城市全景、街景地圖、公安警用實(shí)時(shí)全景數(shù)據(jù)應(yīng)用，為城市規(guī)劃、數(shù)字化城市、智慧城市等快速提供基礎(chǔ)地理信息。

六、結(jié)束語(yǔ)

本次蘭新鐵路新疆段線路采用車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)完成測(cè)繪項(xiàng)目，積累了三維激光掃描設(shè)備的操作使用、數(shù)據(jù)處理與分析、點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類(lèi)處理等新技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，大大提高了工作效率，拓展了三維激光掃描設(shè)備在國(guó)土三維地籍、土地監(jiān)察、數(shù)字城市、城市規(guī)劃建設(shè)等方面應(yīng)用，產(chǎn)生了良好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。隨著車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在更多不同行業(yè)的深入應(yīng)用，測(cè)繪新裝備、新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用將得到更多用戶的接受和認(rèn)同。

(本專(zhuān)欄由拓佳豐圣和本刊編輯部共同主辦)