三維激光掃描移動測量在鐵路運(yùn)營中的應(yīng)用

周玉輝

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

鐵路運(yùn)輸是我國目前客運(yùn)、貨運(yùn)主要的運(yùn)輸方式。截至2017年底，我國鐵路營業(yè)里程已達(dá)12.7×104km，其中高速鐵路2.5×104km。根據(jù)2016年修編的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，到2025年，我國高速鐵路通車?yán)锍虒⑦_(dá)到3.8×104km，并形成“八縱八橫”的高速鐵路網(wǎng)[1]。隨著大量新建高速鐵路的施工及投入運(yùn)營一些線路病害逐漸顯現(xiàn)出來，如隧道底板隆起、隧道變形、路基沉降、橋梁位移等。因此，在一定周期內(nèi)需對高速鐵路施工現(xiàn)場或運(yùn)營線路進(jìn)行快速、長期的監(jiān)測，如何在有限的人力、物力資源條件下提高測量技術(shù)水平，提高工作效率、確保工程質(zhì)量就顯得十分必要。

基于此，中鐵二院開展了基于慣導(dǎo)三維激光掃描移動測量系統(tǒng)在鐵路工程上的應(yīng)用研究。研究表明：①采用三維激光移動掃描可快速獲取施工周圍環(huán)境及運(yùn)營線路高密度、高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在高速鐵路施工中可進(jìn)行構(gòu)筑物的變形監(jiān)測[2-3]。②隨著車載移動測量在公路、市政工程及城市管理上應(yīng)用的逐漸普及并取得了一定的進(jìn)展，三維激光掃描測量技術(shù)應(yīng)用在鐵路工程及運(yùn)營管理上成為可能。③隨著移動測量設(shè)備完善及精度的提高，在鋪軌后可采用三維激光掃描移動測量系統(tǒng)快速進(jìn)行隧道、橋梁及路基的監(jiān)測及運(yùn)營維護(hù)管理，為高速鐵路施工及運(yùn)營維護(hù)提供了一種高效率、高精度的測量手段。

1 三維激光掃描移動測量系統(tǒng)

基于慣導(dǎo)的三維激光掃描移動測量系統(tǒng)采用三維激光掃描技術(shù)、GPS/IMU組合導(dǎo)航(POS)定位定姿技術(shù)、多傳感器集成移動測量技術(shù)等進(jìn)行系統(tǒng)集成，以列車、汽車或軌道小車為載體，進(jìn)行快速三維激光掃描，獲取施工現(xiàn)場、運(yùn)營鐵路軌道及附屬設(shè)施的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過一系列的后處理運(yùn)算后，得到更加精確、有效、完整的施工現(xiàn)場構(gòu)筑物及運(yùn)營鐵路的相關(guān)信息。

1.1 三維激光掃描移動測量系統(tǒng)組成

鐵路三維激光掃描移動測量系統(tǒng)以列車或軌道小車作為測量平臺，系統(tǒng)共分為4個主要控制系統(tǒng)單元。

(1)電源管理單元：對整套系統(tǒng)進(jìn)行供電及相應(yīng)的電路保護(hù)，從而保證系統(tǒng)的正常工作。

(2)同步控制單元：通過電路控制將所有傳感器進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集，并將采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至存儲系統(tǒng)中。

(3)數(shù)據(jù)采集單元：利用三維激光掃描、GPS/IMU組合導(dǎo)航(POS)定位定姿等技術(shù)獲取鐵路工程各種構(gòu)筑物的各種相關(guān)信息，主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)、全景影像、空間位置和姿態(tài)信息等。

(4)軟件處理單元：針對采集回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括平面坐標(biāo)以及高程系統(tǒng)的處理分析。對于平面坐標(biāo)，采用常規(guī)高程面模型投影解算出的點(diǎn)云必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)钠揭?，才能轉(zhuǎn)換到軌道高程投影模型下，進(jìn)而最大限度控制投影帶來的長度變形；高程系統(tǒng)基于的則是水準(zhǔn)高系統(tǒng)，通過一定的算法將實(shí)測的大地高轉(zhuǎn)換成水準(zhǔn)高，得到高精度的點(diǎn)云成果數(shù)據(jù)并可快速瀏覽[4]。

測量系統(tǒng)集成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)集成框架圖

1.2 三維激光掃描移動測量的技術(shù)優(yōu)勢

(1)三維激光掃描移動測量是基于三維激光掃描、慣性測量與GNSS定位技術(shù)的軌道高精度三維激光點(diǎn)云和高分辨率全景影響數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

(2)系統(tǒng)將控制網(wǎng)坐標(biāo)動態(tài)傳遞到POS測量系統(tǒng)，采用聯(lián)合解算方法，滿足弱GPS信號甚至無GPS情況下絕對測量精度的提高，實(shí)現(xiàn)高速鐵路軌道快速、自動、連續(xù)、無縫、高精度定位定姿測量。

(3)通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以提取既有線中線里程、中線坐標(biāo)、軌面高程、路基斷面、地形地物點(diǎn)資料。

(4)利用360°全景影像及點(diǎn)云效果圖的真實(shí)、可視化優(yōu)勢，進(jìn)行既有線路的路基病害、線路設(shè)施、跨線凈空資料調(diào)查[5]，提高既有線勘測與調(diào)繪的準(zhǔn)確性、完整性。

(5)采用三維激光掃描移動測量技術(shù)改進(jìn)了鐵路既有線現(xiàn)狀測量方法；減少作業(yè)流程及時間，提高了作業(yè)效率；減少與運(yùn)營列車的相互干擾，確保測量人員、設(shè)備及運(yùn)營的安全。

2 高速鐵路軌道數(shù)據(jù)測量

2.1 測試過程

重慶至貴陽高速鐵路(簡稱渝黔高鐵)，從重慶站引出，經(jīng)綦江、桐梓、遵義、息烽，終點(diǎn)至貴陽北站，線路全長347 km，設(shè)計(jì)速度250 km/h。渝黔線設(shè)計(jì)施工過程已沿線建立了完備CPO、CPⅠ、CPⅠ及CPⅢ平面高程控制網(wǎng)，測試時采用渝黔線高精度CPⅡ控制點(diǎn)作為基站主控點(diǎn)，CPⅢ作為平面高程加密約束點(diǎn)，CPⅢ約束點(diǎn)在鐵路兩側(cè)布置，點(diǎn)間距離約60 m，布置在路基、橋梁、隧道兩側(cè)[6]。

為了保證CPⅢ控制點(diǎn)順利融入系統(tǒng)，特別設(shè)計(jì)了專用靶標(biāo)實(shí)現(xiàn)CPⅢ約束點(diǎn)數(shù)據(jù)采集。

(1)利用施工加密CPⅡ點(diǎn)作為基站約束控制點(diǎn)。CPⅡ約束點(diǎn)坐標(biāo)高程資料如表1所示。

表1 CPⅡ約束點(diǎn)坐標(biāo)高程表

(2)充分利用沿線已有CPⅡ及CPⅢ控制網(wǎng)進(jìn)行靶標(biāo)布設(shè)，CPⅡ控制點(diǎn)作為基站，CPⅢ控制網(wǎng)按照60 m左右間隔在鐵路兩側(cè)布設(shè)成對靶標(biāo)，相鄰兩個靶標(biāo)布設(shè)在鐵路的不同側(cè)。靶標(biāo)可以沿CPⅢ控制網(wǎng)依次不間斷進(jìn)行布設(shè)，后續(xù)為測試不同靶標(biāo)密度(間距)對精度的影響再選取不同密度的靶標(biāo)進(jìn)行融合解算。

2.1.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

本次測試同步進(jìn)行標(biāo)靶布設(shè)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，標(biāo)靶布設(shè)需要配備4人(分2組進(jìn)行靶標(biāo)安裝和拆卸傳遞)，移動測量系統(tǒng)儀器操作員1人。CPⅢ約束點(diǎn)布置及數(shù)據(jù)采集如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集

2.2 掃描數(shù)據(jù)處理

外業(yè)現(xiàn)場掃描完成后，立即實(shí)施內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，并對數(shù)據(jù)處理過程中的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了質(zhì)量控制。

(1)航跡解算

掃描完成后，利用車載激光掃描儀上的GPS數(shù)據(jù)與同步的地面基站數(shù)據(jù)進(jìn)行差分，聯(lián)合高精度激光慣導(dǎo)及里程編碼器數(shù)據(jù)融合解算出高精度的航跡文件。

加強(qiáng)行政監(jiān)管。堅(jiān)持“專人包片、領(lǐng)導(dǎo)督辦”，強(qiáng)化農(nóng)村飲水安全督導(dǎo)檢查考核機(jī)制，以督查促進(jìn)整改，以考核倒逼加壓，確保各項(xiàng)工作真落地、見實(shí)效。2017年，重點(diǎn)對脫貧縣和深度貧困縣開展了聯(lián)合督察，對全省進(jìn)行了考核評估。今年8月，對43個未脫貧縣開展農(nóng)村飲水安全督導(dǎo)檢查。

(2)設(shè)備自檢校

自檢校過程主要包括設(shè)備系統(tǒng)標(biāo)定，內(nèi)部設(shè)備精度檢校。

(3)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)融合糾偏解算

完成以上工作后，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，融合得到初步激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。之后利用現(xiàn)場采集到的控制點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云高程改正，得到最終點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.3 基于控制點(diǎn)約束校正的精度改善試驗(yàn)與分析

為提高三維激光掃描移動測量系統(tǒng)獲取的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度，探索利用鐵路控制網(wǎng)(CPⅡ、CPⅢ)進(jìn)行激光點(diǎn)云精度改正需要的控制點(diǎn)的密度，根據(jù)靶標(biāo)間距不同的2段，分別進(jìn)行了精度改善實(shí)驗(yàn)對比分析。

2.3.1 平面高程約束點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)

(1)間距為800 m的CPⅢ點(diǎn)作為約束點(diǎn)，其他CPⅢ點(diǎn)作為驗(yàn)證點(diǎn)的精度統(tǒng)計(jì)。精度驗(yàn)證報(bào)告如表2所示。

由表2可知，當(dāng)采用間距為800 m的CPⅡ作為約束點(diǎn)時，其大部分測試點(diǎn)的精度均<1 cm，個別單點(diǎn)平面高程精度<2 cm；，但其平面及高程標(biāo)準(zhǔn)差均<1 cm，滿足既有普速鐵路快速高精度檢測與測量的精度要求[7]。

(2)將測段內(nèi)所有CPⅢ點(diǎn)作為約束點(diǎn)，其精度驗(yàn)證報(bào)告如表3所示。

由表3可知，在測段范圍內(nèi)，將所有CPⅢ點(diǎn)作為約束點(diǎn)時，其單點(diǎn)平面精度<1 cm；其高程精度<1 cm，滿足高速鐵路工程測量規(guī)范的精度要求[6]。

2.3.2 軌面高程提取精度統(tǒng)計(jì)

在測段范圍內(nèi)，采用電子水準(zhǔn)儀對軌面高程進(jìn)行水準(zhǔn)測量，與采用不同CPⅢ間距約束點(diǎn)計(jì)算提取的軌面高程進(jìn)行對比，其軌面高程對比精度報(bào)告如表4所示。

由表4可知，約束點(diǎn)的精度越高，點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度越高，在一般既有線上測量時，若沒有CPⅢ點(diǎn)，可以用既有線外移樁點(diǎn)作為約束點(diǎn)進(jìn)行融合約束計(jì)算，其成果資料滿足鐵路既有線測量“既有鋼軌面高程檢測限差不應(yīng)大于20 mm”的要求[7]。

表2 渝黔線約束點(diǎn)精度驗(yàn)證報(bào)告

表3 渝黔線約束點(diǎn)精度驗(yàn)證報(bào)告

表4 渝黔線軌面高程精度報(bào)告

3 鐵路大修軌道數(shù)據(jù)測量

3.1 項(xiàng)目簡介

(1)項(xiàng)目概況：該項(xiàng)目是成都鐵路局成都工務(wù)段年度大修任務(wù)，由中鐵二院測繪院、工務(wù)段聯(lián)合作業(yè)，采用移動式三維激光測量系統(tǒng)進(jìn)行既有線現(xiàn)狀測量工作，取得了良好的效果。

(2)項(xiàng)目地點(diǎn)：成都市青白江區(qū)、廣漢市、彭州市。

(3)項(xiàng)目范圍：由青白江區(qū)至彭縣段約32 km的既有線三維掃描生產(chǎn)。

3.2 約束點(diǎn)布置

(1)全段主控點(diǎn)4個，所有約束點(diǎn)平面采用四等GPS靜態(tài)測量，高程采用四等水準(zhǔn)測量，并盡量與成九線的平面高程控制點(diǎn)聯(lián)測。

(2)在K 0+000～K 32+000段，沿線路兩側(cè)分別布置平面高程約束點(diǎn)；點(diǎn)間距離500 m左右，一側(cè)編號為GP-*作為靶標(biāo)約束點(diǎn)，另外一側(cè)編號為TP-*作為樁面約束點(diǎn)(不架設(shè)標(biāo)靶)。

(3)約束點(diǎn)盡量在橋涵帽石上標(biāo)注(并刻+絲)，也可采用木質(zhì)方樁(中心釘鋼釘，方樁宜高出地面5 cm，便于掃描)。

(4)在布置約束點(diǎn)時確保掃描儀能夠清晰掃描到約束點(diǎn)，約束點(diǎn)周圍應(yīng)用紅白油漆相間涂抹。約束點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 約束點(diǎn)布置

3.3 數(shù)據(jù)采集

(1)K 0+000～K 32+000段，由測量人員進(jìn)行中線里程測量(在鋼軌上標(biāo)注)及軌面高程測量(左右軌分別測量)，測量數(shù)據(jù)作為對比數(shù)據(jù)使用。

(2)從青白江車站，以列車為載體，將移動掃描設(shè)備固定在列車頭部，以30 km/h的速度進(jìn)行數(shù)據(jù)移動掃描采集，移動掃描數(shù)據(jù)采集如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

3.4 數(shù)據(jù)處理

3.4.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

外業(yè)現(xiàn)場掃描完成后，立即實(shí)施內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，并對數(shù)據(jù)處理過程中的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了質(zhì)量控制。掃描完成后，立即進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，并對數(shù)據(jù)處理過程中的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了質(zhì)量控制。

(1) 航跡解算

掃描完成后，利用車載激光掃描儀上的GPS數(shù)據(jù)與同步的地面基站數(shù)據(jù)進(jìn)行差分，解算出高精度的航跡文件。

(2)設(shè)備自檢校

自檢校過程主要包括設(shè)備系統(tǒng)標(biāo)定，內(nèi)部設(shè)備精度檢校。

(3)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)融合糾偏解算

完成以上工作后，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，融合得到初步激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。之后利用現(xiàn)場采集到的控制點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云高程改正，得到最終點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.4.2 約束點(diǎn)平面高程精度

采用約束點(diǎn)約束融合計(jì)算后，再次提取各個約束點(diǎn)的平面坐標(biāo)及高程精度驗(yàn)證報(bào)告，如表5所示。

3.4.3 里程中心線的準(zhǔn)確提取

確定起點(diǎn)里程K 0+000的平面坐標(biāo)，計(jì)算起點(diǎn)里程對于鐵路來說是最為重要的一個參數(shù)指標(biāo)，后續(xù)所有的輸出成果均是基于此里程。需要通過軟件將車行軌跡準(zhǔn)確快速的提取出來，并進(jìn)行編輯和修正。

3.5 大修設(shè)計(jì)測量資料

應(yīng)成都鐵路局工務(wù)檢測所要求，通過對高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取以下資料：(1)左右線軌面高程表；(2)中心線坐標(biāo)表(計(jì)算撥距)；(3)平面高程控制點(diǎn)資料。

4 在鐵路上的應(yīng)用

4.1 在施工階段的應(yīng)用

(1)隨著CCD傳感技術(shù)、視頻壓縮技術(shù)、圖像處理等技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)視頻測量技術(shù)越來越多地應(yīng)用于隧道限界檢測領(lǐng)域，限界檢測正在向更高速度、更高精度發(fā)展，利用高精度點(diǎn)云數(shù)提取隧道及其他構(gòu)筑物的特征點(diǎn)實(shí)現(xiàn)變形監(jiān)測，通過2次掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提取隧道及其他構(gòu)筑物的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行對比，判釋隧道及其他構(gòu)筑物是否變形或發(fā)生位移[3]。隧道變形監(jiān)測立面點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 隧道結(jié)構(gòu)立面監(jiān)測點(diǎn)布置圖

可根據(jù)不同時間段掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)差值，開展隧道的監(jiān)測，可以根據(jù)這些差值進(jìn)行構(gòu)筑物的平面位移、沉降值計(jì)算、隧道收斂值計(jì)算等。

(2)在施工過程中，可利用車載移動掃描設(shè)備，多路基面、路基邊坡及沉降觀測標(biāo)志等其他構(gòu)筑物進(jìn)行移動掃描，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提取路基面高程，評價施工是否滿足設(shè)計(jì)要求；提取路基沉降觀測點(diǎn)，評判路基沉降參數(shù)。

表5 精度驗(yàn)證報(bào)告

4.2 在運(yùn)營線上的應(yīng)用

4.2.1 運(yùn)營安全評估

(1)利用列車作為載體，采用移動三維激光掃描儀對運(yùn)營鐵路線路進(jìn)行快速掃描獲取高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過軟件處理提取的鐵路中心線坐標(biāo)、軌面高程，實(shí)現(xiàn)左右軌道超高檢測。根據(jù)軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差值管理要求，判斷既有線左右軌的超高值是否滿足規(guī)范的要求[8]。

(2)根據(jù)提取的中線坐標(biāo)、橋梁擋砟墻特征點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算鐵路鋪軌中心線與橋梁中心線的差值，判斷既有線橋梁偏心值是否滿足規(guī)范的要求。橋梁中心線與鋪軌中心線偏差如圖6所示。

圖6 橋面結(jié)構(gòu)立面圖(cm)

(3)利用兩次掃描點(diǎn)高精度云數(shù)據(jù)提取接觸網(wǎng)吊柱的進(jìn)行對比，判斷隧道及接觸網(wǎng)吊柱是否變形或發(fā)生位移，經(jīng)計(jì)算，若接觸網(wǎng)基座松動1 mm，調(diào)柱下端將產(chǎn)生12.6 mm的平面位移，因此利用高精度云數(shù)據(jù)很容易對接觸網(wǎng)吊柱變形進(jìn)行判斷，從而進(jìn)行必要的維護(hù)，消除安全隱患。接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖(mm)

(4)利用高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取沿線設(shè)備進(jìn)行設(shè)備臺賬管理。

4.2.2 工務(wù)大修設(shè)計(jì)

利用高精度點(diǎn)云數(shù)可以提取既有線中線里程、中線坐標(biāo)、軌面高程、路基斷面、地形地物點(diǎn)資料用于既有線鐵路勘測設(shè)計(jì)及工務(wù)大修設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

(1)在高速鐵路勘測設(shè)計(jì)施工中，采用基于軌道車平臺的三維激光掃描移動測量技術(shù)裝備和軟件處理系統(tǒng)，利用CPⅢ平面高程控制點(diǎn)作為約束點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算得出其平面絕對精度<1 cm，其高程絕對精度<1 cm，滿足高速鐵路規(guī)范要求。該技術(shù)是一種全新的測量技術(shù)和方法，在高速鐵路工程上應(yīng)用將顯著提升我國高速鐵路建設(shè)及運(yùn)營測量技術(shù)水平。

(2)在既有線改建工程及大修勘測設(shè)計(jì)中，采用基于列車或平板車平臺的三維激光掃描移動測量技術(shù)裝備和軟件處理系統(tǒng)，通過約束點(diǎn)間距為400～600 m(相當(dāng)于CPⅡ間距)及時速4～6 km/h的軌道小車與時速30 km/h的火車平板車進(jìn)行移動掃描的精度驗(yàn)證。計(jì)算得出其平面絕對精度<2 cm，其高程絕對精度<1 cm，滿足《改建鐵路工程測量規(guī)范》要求。在既有線改建工程、大修設(shè)計(jì)及運(yùn)營中應(yīng)用該系統(tǒng)，能快速、安全獲取既有鐵路測量數(shù)據(jù)，大大提高勘測設(shè)計(jì)及運(yùn)營管理水平。