三維激光掃描移動(dòng)測(cè)量在鐵路運(yùn)營(yíng)中的應(yīng)用

李子雍

摘要：鐵路運(yùn)輸是我國(guó)目前客運(yùn)、貨運(yùn)主要的運(yùn)輸方式。截至2017年底，我國(guó)鐵路營(yíng)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(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，到2025年，我國(guó)高速鐵路通車(chē)?yán)锍虒⑦_(dá)到3.8×104km，并形成“八縱八橫”的高速鐵路網(wǎng)。隨著大量新建高速鐵路的施工及投入運(yùn)營(yíng)一些線路病害逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，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(duì)高速鐵路施工現(xiàn)場(chǎng)或運(yùn)營(yíng)線路進(jìn)行快速、長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，如何在有限的人力、物力資源條件下提高測(cè)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。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描;移動(dòng)測(cè)量;鐵路運(yùn)營(yíng);應(yīng)用

1三維激光掃描移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

1.1三維激光掃描移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)組成

（1）電源管理單元：對(duì)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(guò)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(chǔ)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(duì)采集回來(lái)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(duì)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(guò)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(lái)的長(zhǎng)度變形;高程系統(tǒng)基于的則是水準(zhǔn)高系統(tǒng)，通過(guò)一定的算法將實(shí)測(cè)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。

1.2三維激光掃描移動(dòng)測(cè)量的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

（1）三維激光掃描移動(dòng)測(cè)量是基于三維激光掃描、慣性測(cè)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(dòng)態(tài)傳遞到POS測(cè)量系統(tǒng)，采用聯(lián)合解算方法，滿足弱GPS信號(hào)甚至無(wú)GPS情況下絕對(duì)測(cè)量精度的提高，實(shí)現(xiàn)高速鐵路軌道快速、自動(dòng)、連續(xù)、無(wú)縫、高精度定位定姿測(cè)量。（3）通過(guò)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(shì)，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，提高既有線勘測(cè)與調(diào)繪的準(zhǔn)確性、完整性。（5）采用三維激光掃描移動(dòng)測(cè)量技術(shù)改進(jìn)了鐵路既有線現(xiàn)狀測(cè)量方法;減少作業(yè)流程及時(shí)間，提高了作業(yè)效率;減少與運(yùn)營(yíng)列車(chē)的相互干擾，確保測(cè)量人員、設(shè)備及運(yùn)營(yíng)的安全。

2高速鐵路軌道數(shù)據(jù)測(cè)量

2.1測(cè)試過(guò)程

2.1.1約束點(diǎn)的布置

（1）利用施工加密CPⅡ點(diǎn)作為基站約束控制點(diǎn)。（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60m左右間隔在鐵路兩側(cè)布設(shè)成對(duì)靶標(biāo)，相鄰兩個(gè)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(cè)試不同靶標(biāo)密度（間距）對(duì)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(chǎng)數(shù)據(jù)采集

本次測(cè)試同步進(jìn)行標(biāo)靶布設(shè)和現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)測(cè)量系統(tǒng)儀器操作員1人。

2.2掃描數(shù)據(jù)處理

2.2.1航跡解算

掃描完成后，利用車(chē)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。

2.2.2設(shè)備自檢校

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

2.3基于控制點(diǎn)約束校正的精度改善試驗(yàn)與分析

2.3.1平面高程約束點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)

（1）間距為800m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)。當(dāng)采用間距為800m的CPⅡ作為約束點(diǎn)時(shí)，其大部分測(cè)試點(diǎn)的精度均<1cm，個(gè)別單點(diǎn)平面高程精度<2cm;，但其平面及高程標(biāo)準(zhǔn)差均<1cm，滿足既有普速鐵路快速高精度檢測(cè)與測(cè)量的精度要求。（2）將測(cè)段內(nèi)所有CPⅢ點(diǎn)作為約束點(diǎn)。在測(cè)段范圍內(nèi)，將所有CPⅢ點(diǎn)作為約束點(diǎn)時(shí)，其單點(diǎn)平面精度<1cm;其高程精度<1cm，滿足高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范的精度要求。

2.3.2軌面高程提取精度統(tǒng)計(jì)

在測(cè)段范圍內(nèi)，采用電子水準(zhǔn)儀對(duì)軌面高程進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)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(duì)比。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(cè)量時(shí)，若沒(méi)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(cè)量“既有鋼軌面高程檢測(cè)限差不應(yīng)大于20mm”的要求。

3鐵路大修軌道數(shù)據(jù)測(cè)量

3.1項(xiàng)目簡(jiǎn)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(cè)繪院、工務(wù)段聯(lián)合作業(yè)，采用移動(dòng)式三維激光測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行既有線現(xiàn)狀測(cè)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32km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(gè)，所有約束點(diǎn)平面采用四等GPS靜態(tài)測(cè)量，高程采用四等水準(zhǔn)測(cè)量，并盡量與成九線的平面高程控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)。（2）在K0+000～K32+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500m左右，一側(cè)編號(hào)為GP-*作為靶標(biāo)約束點(diǎn)，另外一側(cè)編號(hào)為T(mén)P-*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5cm，便于掃描）。（4）在布置約束點(diǎn)時(shí)確保掃描儀能夠清晰掃描到約束點(diǎn)，約束點(diǎn)周?chē)鷳?yīng)用紅白油漆相間涂抹。

3.3數(shù)據(jù)采集

（1）K0+000～K32+000段，由測(cè)量人員進(jìn)行中線里程測(cè)量（在鋼軌上標(biāo)注）及軌面高程測(cè)量（左右軌分別測(cè)量），測(cè)量數(shù)據(jù)作為對(duì)比數(shù)據(jù)使用。

（2）從青白江車(chē)站，以列車(chē)為載體，將移動(dòng)掃描設(shè)備固定在列車(chē)頭部，以30km/h的速度進(jìn)行數(shù)據(jù)移動(dòng)掃描采集。

3.4數(shù)據(jù)處理

3.4.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

1）航跡解算。掃描完成后，利用車(chē)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(guò)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(chǎng)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(gè)約束點(diǎn)的平面坐標(biāo)及高程精度驗(yàn)證報(bào)告。

3.4.3里程中心線的準(zhǔn)確提取

確定起點(diǎn)里程K0+000的平面坐標(biāo)，計(jì)算起點(diǎn)里程對(duì)于鐵路來(lái)說(shuō)是最為重要的一個(gè)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(guò)軟件將車(chē)行軌跡準(zhǔn)確快速的提取出來(lái)，并進(jìn)行編輯和修正。

結(jié)論

在高速鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)施工中，采用基于軌道車(chē)平臺(tái)的三維激光掃描移動(dòng)測(cè)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(duì)精度<1cm，其高程絕對(duì)精度<1cm，滿足高速鐵路規(guī)范要求。該技術(shù)是一種全新的測(cè)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(guó)高速鐵路建設(shè)及運(yùn)營(yíng)測(cè)量技術(shù)水平。

參考文獻(xiàn)：

[1] 林玉兵.三維激光雷達(dá)圖像在鐵路異物侵限檢測(cè)中的應(yīng)用研究[D].北方工業(yè)大學(xué)，2018.

[2] 朱郭勤.三維激光掃描技術(shù)在鐵路運(yùn)營(yíng)維護(hù)及形變監(jiān)測(cè)中的研究[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2017（10）：216-217.

（作者單位：中鐵十九局集團(tuán)第一工程有限公司）