一種提高鐵路車載激光雷達(dá)測(cè)量精度的方法

曹成度 曹思語

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063；2.武漢市第十四中學(xué)，湖北武漢 430060)

1 概述

為了滿足既有鐵路線路和站場(chǎng)的改建、擴(kuò)建、技術(shù)改造及日常保養(yǎng)維護(hù)等工作對(duì)測(cè)量的需求，需要對(duì)既有線路和站場(chǎng)的地形、建筑物、構(gòu)筑物、設(shè)備、股道、道岔、信號(hào)系統(tǒng)等進(jìn)行詳細(xì)測(cè)繪[1]。當(dāng)前，既有線測(cè)量主要依靠人工在“天窗”時(shí)間上道測(cè)量，其效率較低，安全性較差，亟需研發(fā)高效、安全的既有線測(cè)量方法[2，3]。

三維激光掃描技術(shù)又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，它通過激光掃描測(cè)量方法快速獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)及其他關(guān)鍵信息。根據(jù)載體的不同，可分為星載、機(jī)載、車載和地面激光雷達(dá)。三維激光掃描技術(shù)突破了常規(guī)測(cè)量單點(diǎn)采集的模式，具有非接觸、效率高等優(yōu)勢(shì)，為既有線復(fù)測(cè)提供了一種新的思路和技術(shù)手段。

近年來，國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)對(duì)車載激光雷達(dá)技術(shù)在傳統(tǒng)測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[4-6]。研究結(jié)果表明：受制于GPS和慣導(dǎo)的動(dòng)態(tài)定位精度，車載激光雷達(dá)直接數(shù)據(jù)精度最高只能達(dá)到5 cm。在既有鐵路上進(jìn)行掃描時(shí)， GPS信號(hào)受到鐵路上方高壓電線的干擾，獲取的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)精度更低，無法滿足既有線測(cè)量的精度要求[2，7]。

針對(duì)上述技術(shù)問題，研究提高鐵路車載激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)精度的方法，從而打破車載激光雷達(dá)系統(tǒng)在鐵路既有線測(cè)量中的應(yīng)用瓶頸。

2 總體思路

車載激光雷達(dá)系統(tǒng)的測(cè)量誤差來源主要包括以下兩個(gè)方面。

①量測(cè)誤差：主要有GPS定位誤差、慣導(dǎo)定位定姿誤差、激光測(cè)距誤差等。

②系統(tǒng)集成誤差：主要為車載激光雷達(dá)系統(tǒng)多個(gè)模塊之間存在的集成、同步誤差。

受制于技術(shù)和國(guó)外廠商保密等原因，很難從源頭上對(duì)誤差進(jìn)行分析和消除[8-10]。

分析車載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，可將多方面的誤差分為偶然誤差和系統(tǒng)誤差兩類。偶然誤差難以消除，但針對(duì)系統(tǒng)誤差，可以與已知數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，找到系統(tǒng)誤差的規(guī)律并予以消除。采用這一思路，在鐵路兩側(cè)按一定密度布設(shè)并測(cè)量控制點(diǎn)，基于控制點(diǎn)對(duì)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)誤差分析，從而精化車載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。通過對(duì)比分析不同密度控制點(diǎn)的精化效果，找到控制點(diǎn)密度與激光雷達(dá)數(shù)據(jù)精度間的關(guān)系，從而確定滿足既有線測(cè)量的控制點(diǎn)密度，提高車載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)精度。

3 作業(yè)流程

提高鐵路車載激光雷達(dá)測(cè)量精度方法的主要流程包括：控制標(biāo)志布設(shè)與測(cè)量、車載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)精化等步驟。

3.1 控制標(biāo)志布設(shè)與測(cè)量

在進(jìn)行車載激光雷達(dá)掃描前，在待測(cè)鐵路沿線每隔一定距離布設(shè)一個(gè)控制標(biāo)志?？刂茦?biāo)志為40 cm×40 cm“田”字圖案，利用“十”字將控制標(biāo)志等分成4個(gè)相同的邊長(zhǎng)為20 cm的小正方形，4個(gè)小正方形左下、右上部分為黑色，左上、右下部分為白色?？刂茦?biāo)志可采用塑料等輕型材料制作，標(biāo)志表面可覆膜，以保證標(biāo)志具有高反射性。

控制標(biāo)志可采用高強(qiáng)度免釘膠粘貼在鐵路兩側(cè)(可貼在鐵路兩側(cè)的接觸網(wǎng)桿上或無遮擋的平整水泥地面上)。

控制標(biāo)志中心坐標(biāo)測(cè)量采用免棱鏡全站儀自由設(shè)站法，基于CPⅡ或CPⅢ進(jìn)行定向(如圖1)。

圖1 布設(shè)標(biāo)志示例

3.2 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集

沿待測(cè)鐵路走向布設(shè)多個(gè)GPS基站，GPS基站可布設(shè)在CPI上。掃描時(shí)車載激光雷達(dá)系統(tǒng)與GPS基站進(jìn)行同步GPS觀測(cè)，通過動(dòng)態(tài)GPS差分實(shí)現(xiàn)激光掃描系統(tǒng)的高精度動(dòng)態(tài)定位，相鄰兩個(gè)GPS基站間基線長(zhǎng)度范圍為4～8 km。

在軌檢車上搭載移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)沿鐵路進(jìn)行掃描作業(yè)，獲取鐵路車載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。為了滿足既有線測(cè)量要求，需將點(diǎn)云間距控制在2 cm以內(nèi)，根據(jù)公式(1)可計(jì)算出行車速度。

(1)

其中：D為點(diǎn)云間距；

V為行車速度；

S為掃描頻率；

n為激光掃描系統(tǒng)激光頭的個(gè)數(shù)。

3.3 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)精化

數(shù)據(jù)采集完成后，首先利用車載激光雷達(dá)系統(tǒng)自帶的軟件對(duì)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢校、解算，得到初始激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。

車載激光雷達(dá)系統(tǒng)有多個(gè)激光頭時(shí)，應(yīng)對(duì)每個(gè)激光頭采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)單獨(dú)進(jìn)行精化。精化步驟如下。

(1)讀取鐵路車載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，識(shí)別出每個(gè)控制標(biāo)志中心的三維點(diǎn)云坐標(biāo)。

(2)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不僅包括坐標(biāo)信息，還帶有該點(diǎn)的采集時(shí)刻，按照采集時(shí)刻對(duì)所有點(diǎn)云進(jìn)行劃分，如圖2所示，以控制標(biāo)志中心點(diǎn)A，B，C…點(diǎn)相應(yīng)的采集時(shí)刻Ta、Tb、Tc…為分界時(shí)間點(diǎn)，將整段點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割成n段(如圖2)。

圖2 激光雷達(dá)精化示意

(3)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維坐標(biāo)修正：對(duì)鐵路車載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的任一點(diǎn)X(x,y,z)，均可找到其最近的前后兩個(gè)控制點(diǎn)及相應(yīng)的點(diǎn)云坐標(biāo)B(xB,yB,zB)和C(xC,yC,zC)，通過計(jì)算X與B、C間的歐氏距離l1和l2，B、C兩點(diǎn)其實(shí)測(cè)坐標(biāo)為，(XB0,YB0，ZB0)和(XC0,YC0，ZC0)，通過公式(2)，即可計(jì)算出X點(diǎn)精化后的坐標(biāo)。

(2)

4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取漢丹鐵路作為試驗(yàn)區(qū)。漢丹鐵路是武漢至丹江口的客貨共線鐵路，其中漢襄段作為武漢至成都、重慶鐵路通道的重要組成部分，列車運(yùn)行時(shí)速由120 km提升到160 km，最高時(shí)速可達(dá)200 km，可開行動(dòng)車組。本試驗(yàn)選擇在漢襄段的云夢(mèng)至下辛店工區(qū)，試驗(yàn)線長(zhǎng)度為23 km。

試驗(yàn)時(shí)，選擇世界上領(lǐng)先的Optech Lynx SG1車載激光雷達(dá)系統(tǒng)，Lynx SG1配備了最高脈沖發(fā)射頻率達(dá)600 kHz的傳感器探頭，整套系統(tǒng)的最高數(shù)據(jù)采集頻率可達(dá)120萬測(cè)點(diǎn)/s，其360°全向掃描所形成的均勻分布數(shù)據(jù)，可滿足大比例制圖與工程勘測(cè)的精度需求。在原有的多臺(tái)工業(yè)量測(cè)相機(jī)基礎(chǔ)上，新提供了對(duì)Point Grey Ladybug相機(jī)系統(tǒng)的集成方案。

本試驗(yàn)移動(dòng)平臺(tái)為鐵路檢修平板車，該車具有雙車頭，最高時(shí)速可達(dá)80 km。試驗(yàn)時(shí)，將Lynx SG1安裝在鐵路檢修平板車尾部，通過平板火車運(yùn)動(dòng)，對(duì)鐵路進(jìn)行連續(xù)掃描(如圖3)。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)工作

4.1 技術(shù)參數(shù)

Lynx SG1采集的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 技術(shù)參數(shù)

4.2 控制點(diǎn)布設(shè)

控制點(diǎn)布設(shè)分兩段，第一段長(zhǎng)3 km，按照50 m間隔在鐵路兩側(cè)布設(shè)一對(duì)靶標(biāo)；第二段長(zhǎng)20 km，按照200 m間隔布設(shè)一對(duì)靶標(biāo)，相鄰兩個(gè)靶標(biāo)布設(shè)在鐵路的不同側(cè)?；诿饫忡R全站儀，先采用CPⅢ后方交會(huì)定向，然后測(cè)量控制標(biāo)志坐標(biāo)。

4.3 無控制激光雷達(dá)數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)采集完成后，利用控制標(biāo)志對(duì)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢核，精度統(tǒng)計(jì)如表2。

表2 無控制激光雷達(dá)數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計(jì)

由表2可知，原始激光雷達(dá)數(shù)據(jù)精度約為10 cm，難以滿足鐵路既有線測(cè)量的相關(guān)要求。

4.4 精化試驗(yàn)

為了探索控制點(diǎn)間距與激光雷達(dá)精度的關(guān)系，分別對(duì)4.2中的第一段和第二段數(shù)據(jù)進(jìn)行以下兩組試驗(yàn)。

(1)分別按照每50 m、100 m、200 m、300 m、400 m和500 m選取一個(gè)控制點(diǎn)對(duì)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行精化，并將剩余的控制標(biāo)志作為檢查點(diǎn)，激光雷達(dá)精度統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 第一試驗(yàn)段激光數(shù)據(jù)精度與控制點(diǎn)間距關(guān)系 m

分析表3，可以得出以下結(jié)論。

①控制點(diǎn)的密度越大，數(shù)據(jù)的精度越高。

②每400 m布設(shè)一個(gè)控制點(diǎn)，其平面和高程中誤差分別為0.015 m和0.015 m，即使控制點(diǎn)密度提高一倍，對(duì)精度提高的效果已不明顯。

(2)根據(jù)第一段的試驗(yàn)結(jié)果，在第二段按照每隔400 m選取一個(gè)控制點(diǎn)對(duì)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行精化，將剩余的控制標(biāo)志作為檢查點(diǎn)，激光雷達(dá)精度統(tǒng)計(jì)如表4所示。

從表4中可以看出，按400 m間距布設(shè)一個(gè)控制點(diǎn)，其高程和平面精度與第一組試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)。

表4 第二試驗(yàn)段激光數(shù)據(jù)精度與控制點(diǎn)間距關(guān)系 m

4.5 精度驗(yàn)證

為了對(duì)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)精度進(jìn)行驗(yàn)證，采用測(cè)量機(jī)器人，在漢丹線(云夢(mèng)至下辛店段)共測(cè)量了272個(gè)有效軌頂中心點(diǎn)，并與車載激光雷達(dá)掃描的軌頂數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以評(píng)價(jià)車載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的精度。

結(jié)果顯示，94.9%的點(diǎn)平面誤差絕對(duì)值在0.030 m以內(nèi)，65.1%的點(diǎn)高程絕對(duì)誤差在0.020 m以內(nèi)。水平誤差絕對(duì)值最大為0.054 m，平均值為0.011 m，中誤差為0.014 m；高程誤差絕對(duì)值最大為0.050 m，平均值為0.017 m，中誤差為0.015 m；空間絕對(duì)點(diǎn)位誤差最大值為0.057 m，平均值為0.022 m，中誤差為0.021 m。

從該精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，精化后的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，可滿足除高速鐵路中線和高程測(cè)量外的所有既有線測(cè)量工作的精度要求[11-12]。

[1] 王曉凱.車載激光雷達(dá)在鐵路復(fù)測(cè)中的應(yīng)用探討[J].鐵道建筑，2013 (2):81-83

[2] 湯建鳳.基于車載激光雷達(dá)的鐵路既有線復(fù)測(cè)技術(shù)研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2016，33(12):43-47

[3] 張江，鄭曉輝.鐵路既有線復(fù)測(cè)方法探討[J].鐵道勘察，2005(2):15-16

[4] 張攀科，裴亮，王留召，等.車載激光掃描系統(tǒng)在地籍測(cè)量中的應(yīng)用[J].測(cè)繪科學(xué)，2015，40(9):163-166

[5] 王曉凱.鐵路勘察機(jī)載激光雷達(dá)的應(yīng)用及關(guān)鍵問題研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2010(10):11-14

[6] 劉丹.三維激光掃描技術(shù)在西客站既有結(jié)構(gòu)斷面測(cè)量中的應(yīng)用[J].鐵道建筑技術(shù)，2011(S2)：244-245

[7] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TBJ 105—1988 既有鐵路測(cè)量技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，1989

[8] 韓友美，楊伯鋼.車載LiDAR技術(shù)市政道路測(cè)量高程精度控制[J].測(cè)繪通報(bào)，2013(8):18-21

[9] 魯勇，王留召，郭姣，等.車載激光移動(dòng)建模測(cè)量系統(tǒng)點(diǎn)云精度檢核與誤差來源分析[J].中州煤炭，2012(6):53-55

[10] 梅文勝，周燕芳，周俊.基于地面三維激光掃描的精細(xì)地形測(cè)繪[J].測(cè)繪通報(bào)，2010(1):53-56

[11] 韓三琪.三維激光掃描儀單點(diǎn)精度的檢驗(yàn)與分析[J].鐵道勘察，2013(6)：9-11

[12] 王俊.地面激光雷達(dá)用于既有鐵路危巖調(diào)查的應(yīng)用實(shí)例[J].鐵道勘察，2014(6):15-17