三維激光掃描儀在軌距提取中的應(yīng)用研究

常占奎

(中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司 工務(wù)處,上海 200071)

激光掃描是一種通過位置、距離、角度、反射強(qiáng)度等觀測數(shù)據(jù)直接獲取對象表面點三維坐標(biāo),形成點云數(shù)據(jù),實現(xiàn)信息實時提取和準(zhǔn)確重建三維場景的觀測技術(shù)[1-2]。為更好地熟悉該項測量新技術(shù),探索其在鐵路勘測領(lǐng)域的應(yīng)用,以提取既有線軌距為切入點,采用徠卡MS50三維激光掃描儀獲取同濟(jì)大學(xué)試驗線點云數(shù)據(jù),從中提取線路軌距,并與現(xiàn)場實測軌距值進(jìn)行對比,以驗證三維掃描儀在軌距提取中的有效性。

1 試驗方案

本次試驗選取同濟(jì)大學(xué)試驗線直線段,長度約70 m?？紤]精度的需要,將掃描密度定為豎向間隔 0.001 m,水平間隔0.001 m。本次試驗采用之字形施測,即線路兩側(cè)交錯布設(shè)測站。測站間距控制在25 m左右,掃描區(qū)域適當(dāng)重疊,采用后方交會法,保證多站掃描數(shù)據(jù)處于同一坐標(biāo)系下。設(shè)站及轉(zhuǎn)站要求與全站儀相同,本文不再贅述。掃描前,以道口板邊線為基準(zhǔn),按間隔1 m測量線路軌距,并于軌頭外側(cè)做好標(biāo)記?，F(xiàn)場布設(shè)控制點后,進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集,其步驟為：支架掃描儀/布置控制點→整平/參數(shù)設(shè)置/測量定位→掃描→轉(zhuǎn)站→掃描→掃描預(yù)覽。試驗線點云圖見圖1。

圖1 試驗線點云圖

2 測量數(shù)據(jù)處理

2.1 預(yù)處理

預(yù)處理主要包括刪除多余的點云,去冗、除噪。主要結(jié)合STUDIO和CYCLONE軟件進(jìn)行處理[3]。

掃描作業(yè)不可避免會將人員、輔助設(shè)備等不必要的物體掃描到數(shù)據(jù)中,需要將這些大塊無用的點云刪除,降低計算量,提高計算機(jī)處理效率。該階段主要借助CYCLONE軟件完成。

相鄰測站之間掃描重疊區(qū)域冗余的點云,以及由于測量設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)發(fā)生改變或測量環(huán)境突然發(fā)生變化等因素造成的噪聲點,都會影響點云數(shù)據(jù)的精確性和光順性,故必須去冗、除噪,消除外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中由于上述原因帶來的模型表面非均勻的粗糙外表點云[4]。通過除噪、數(shù)據(jù)平滑,可降低模型在這些點處的偏差值。該階段借助STUDIO軟件完成。點云數(shù)據(jù)去冗、除噪效果對比見圖2。

圖2 點云數(shù)據(jù)去冗、除噪效果對比

2.2 封裝

前述通過三維激光掃描儀采樣得到的點云數(shù)據(jù)是離散的點集。封裝是利用點云數(shù)據(jù)，通過一定的算法來恢復(fù)原始曲面的幾何模型,即曲面重構(gòu)的過程。三角網(wǎng)格面作為曲面的近似表達(dá)方式,是在三維空間中通過對各小三角片進(jìn)行拼接而形成的網(wǎng)格面。點云封裝的實質(zhì)即是用許多細(xì)小的空間三角形來逼近還原CAD實體模型。

2.3 規(guī)則化處理及建模

初步封裝后的模型存在一定缺陷,需在多邊形模型階段對其進(jìn)行人工修補(bǔ)、調(diào)整等規(guī)則化處理,得到可操作的網(wǎng)格模型。圖3顯示了局部點云數(shù)據(jù)封裝并規(guī)則化處理后的效果。

圖3 點云封裝并規(guī)則化處理前后效果對比

3 提取線路軌距

軌距的提取可在點云處理軟件中直接進(jìn)行,但在海量點云數(shù)據(jù)中選擇測點直接進(jìn)行連線操作需完全依靠主觀性判斷,偏差較大且工作量巨大,量測方向也不準(zhǔn)確,因此是不可取的。圖4為軌距隨機(jī)測量,可知2次測量值分別為 1 473 和 1 493 mm,誤差較大。

圖4 軌距隨機(jī)測量

針對在多邊形模型階段提取線路軌距數(shù)據(jù),國內(nèi)外專家學(xué)者做了大量的研究工作。文獻(xiàn)[4-6]研究認(rèn)為在多邊形模型階段截取特征截面薄片數(shù)據(jù),并按照需要以一定間隔繪制線路法線,再以所得鋼軌邊為參照做修剪,結(jié)合CAD查詢各線段長度及端點坐標(biāo),由此可得出線路軌距。此方法建立在將薄片數(shù)據(jù)視為一條直線的基礎(chǔ)之上,所以理論上是三維操作,實際上是二維操作。

本次試驗研究借助QUALIFY軟件的模型偏差校驗功能,以模型本身為基準(zhǔn)模板,通過對比,在確保偏差為0的基礎(chǔ)上,截取軌下16 mm處特征截面,再提取線路軌距,整個過程是在三維模型下的操作。

提取軌距關(guān)鍵技術(shù)在于特征截面的處理,其旋轉(zhuǎn)角度需要和線路設(shè)備三維走向相匹配。如假設(shè)水平為x軸,縱向為y軸,則繞x軸旋轉(zhuǎn)角θx為坡度與超高順坡率的綜合值,繞y軸旋轉(zhuǎn)角θy在曲線地段為超高與軌道中心距的比值和軌底坡的綜合值[7-8]。

以前期標(biāo)注地段掃描數(shù)據(jù)為例,具體操作過程為：

1)多邊形對齊。首先，將前期處理的點云模型導(dǎo)入QUALIFY軟件中，并設(shè)為參考模型，然后重復(fù)導(dǎo)入點云模型，并將第2次導(dǎo)入的點云模型設(shè)為測試模型。

2)進(jìn)行3D比較。局部模型的3D偏差情況如圖5所示。觀察可知模型最大上下偏差量為0,匹配度高,可進(jìn)行下一步操作。

圖5 局部模型3D偏差情況(單位：m)

3)進(jìn)行2D比較。在封裝的鋼軌模型上,通過旋轉(zhuǎn)x軸、旋轉(zhuǎn)y軸和位置度參數(shù)的設(shè)定,給定鋼軌平面初始貫穿截面,將初始截面下移16 mm[9],計算后得出2D特征截面。

4)提取軌距數(shù)據(jù)。基于特征截面,可以提取任意位置軌距數(shù)據(jù)并顯示在視圖中,軟件自動記錄數(shù)據(jù)信息。為便于比較,選取前期人工測量標(biāo)記點進(jìn)行軌距提取,每隔1 m量取軌距,軟件自動顯示軌距值并記錄在屏幕下方的表格中,如圖6所示。

5)數(shù)據(jù)導(dǎo)出、比較：將軟件測量的數(shù)據(jù)發(fā)送至Excel表格,與現(xiàn)場人工實測數(shù)值進(jìn)行對比,見表1?？芍壘嗟能浖崛≈蹬c現(xiàn)場實測值基本吻合。

圖6 采用軟件提取軌下16 mm處軌距顯示屏幕

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4 結(jié)語

針對三維激光掃描儀在軌距提取中的應(yīng)用，本文從外業(yè)施測流程到內(nèi)業(yè)點云數(shù)據(jù)預(yù)處理及軌距提取都做了詳細(xì)的分析。經(jīng)驗證，軟件提取值與現(xiàn)場實測值基本吻合。

本試驗研究中有待進(jìn)一步完善之處為:

1)儀器參數(shù)的設(shè)定對作業(yè)時間的影響較大,例如掃描間距越小,則掃描時間越長。如何合理地設(shè)置參數(shù),仍需進(jìn)一步探索確定。

2)STUDIO軟件參數(shù)的設(shè)置對模型圓弧度等影響較大,需要進(jìn)一步對比分析。

3)特征面的選取較為單一,和實際線路的平縱細(xì)部要求局部有出入,易產(chǎn)生由于量測位置不準(zhǔn)確導(dǎo)致的測量誤差。

在本研究的基礎(chǔ)上，下一步研究方向為：

1)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘,研究提取軌向、道床斷面等數(shù)據(jù)。

2)研究基于掃描數(shù)據(jù)的曲線整正方法?；谠O(shè)計曲線要素建立標(biāo)準(zhǔn)曲線線路的三維模型,與既有曲線線路建立的模型進(jìn)行三維和二維模式下的對比分析,提取既有曲線要素,顯示與設(shè)計要素的偏差值,為曲線改造提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3)研究在道岔檢測中的應(yīng)用,特別是特大站場的道岔群檢測作業(yè),通過截面或特征面的構(gòu)造完成幾何線位數(shù)據(jù)的提取。

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