車載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)

激光掃描技術(shù)用于鐵路檢測(cè)的歷史已經(jīng)很長(zhǎng)。從宏觀的地形地貌測(cè)量到毫米級(jí)精度的建模，使用者可根據(jù)不同的應(yīng)用需求，利用不同的激光掃描系統(tǒng)獲得最佳的檢測(cè)數(shù)據(jù)。不同激光掃描系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)集還可以相互補(bǔ)充，具有巨大的潛力。

自2018年以來(lái)，法國(guó)的3列Vigirail試驗(yàn)車，除安裝了已投入使用的各種測(cè)量設(shè)備外，還配備了一套激光掃描系統(tǒng)，此系統(tǒng)是奧地利Laser Measurement Systems GmbH公司生產(chǎn)的VMX-RAIL系統(tǒng)。這是世界上第一個(gè)包含3臺(tái)掃描儀的鐵路用車載激光雷達(dá)（LiDAR）測(cè)量系統(tǒng)，安裝于車頂，用于檢測(cè)軌道環(huán)境。

1 LiDAR 測(cè)量系統(tǒng)

LiDAR測(cè)量系統(tǒng)具有特殊的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，如數(shù)據(jù)采集速度快、受環(huán)境光線條件影響小，以及具有連續(xù)跟蹤多個(gè)目標(biāo)的能力。這些特性保證了LiDAR測(cè)量系統(tǒng)在執(zhí)行各種鐵路領(lǐng)域測(cè)量任務(wù)時(shí)的有效性。LiDAR測(cè)量系統(tǒng)可分為機(jī)載激光掃描系統(tǒng)（ALS，其中包括無(wú)人機(jī)激光掃描系統(tǒng)ULS）、地面激光掃描系統(tǒng)（TLS）和車載激光掃描系統(tǒng)（MLS）3類。使用者可根據(jù)所涉及的任務(wù)選擇上述系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)（圖1）。

1.1 ALS系統(tǒng)

ALS系統(tǒng)通常用于線路規(guī)劃時(shí)的地形測(cè)量，此時(shí)一般使用安裝在大型飛機(jī)上的大型ALS系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在使用植被濾鏡后，從飛機(jī)在高空飛行時(shí)所采集的3D點(diǎn)云中快速生成數(shù)字地形模型（Digital Terrain Model，DTM）。

此外，ALS系統(tǒng)也可以安裝在直升機(jī)中或以微型系統(tǒng)的方式集成到無(wú)人機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)在較低飛行高度上的應(yīng)用。為了保障直升機(jī)和無(wú)人機(jī)的安全運(yùn)行，對(duì)于大型ALS系統(tǒng)“縮小版”的性能要求相當(dāng)高，有嚴(yán)格的質(zhì)量和外形限制，必須在縮小組件（如LiDAR傳感器、慣性測(cè)量單元、攝像機(jī)系統(tǒng)）體積的同時(shí)，確保組件的高質(zhì)量及整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠同步，以保證數(shù)據(jù)精度不受影響。對(duì)于一般飛機(jī)難以進(jìn)入的區(qū)域以及慢速飛行的特殊情況，通常使用安裝ALS系統(tǒng)的無(wú)人直升機(jī)。由于其各掃描線之間的距離非常小，生成的3D點(diǎn)云中的點(diǎn)密度非常高，因此它除了可用于采集鐵路基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)之外，還可以記錄環(huán)境地形，以評(píng)估環(huán)境因素（例如洪水、懸空的脆性巖石或滑坡）的損害程度或潛在風(fēng)險(xiǎn)，確保鐵路運(yùn)營(yíng)安全。固定翼無(wú)人機(jī)飛行速度快，而且可以長(zhǎng)距離飛行，因此特別適用于線路監(jiān)測(cè)。

1.2 TLS 系統(tǒng)

TLS系統(tǒng)用于對(duì)復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行高精度測(cè)量。TLS設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)在于可以測(cè)量?jī)?nèi)部空間、屋頂設(shè)備以及地下空間（圖2）。根據(jù)技術(shù)規(guī)范，當(dāng)測(cè)量精度要求達(dá)到毫米級(jí)高標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)選擇TLS系統(tǒng)。理想情況下，應(yīng)將需要特別注意和細(xì)節(jié)級(jí)別很高的TLS數(shù)據(jù)歸入高級(jí)別的信息數(shù)據(jù)檔案中。使用者可以通過(guò)對(duì)TLS系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，全面了解鐵路線網(wǎng)的當(dāng)前狀態(tài);還可以通過(guò)定期測(cè)量和數(shù)據(jù)補(bǔ)充，監(jiān)測(cè)空間結(jié)構(gòu)隨時(shí)間產(chǎn)生的變化。

1.3 MLS 系統(tǒng)

測(cè)量整個(gè)線路網(wǎng)絡(luò)最直接的方式還是應(yīng)用MLS系統(tǒng)。MLS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量主要取決于激光掃描儀的精度、脈沖重復(fù)頻率、校準(zhǔn)狀況，以及MLS系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)。系統(tǒng)架構(gòu)決定了MLS系統(tǒng)是否具有抗振動(dòng)影響的能力，若系統(tǒng)架構(gòu)合理，則即使在列車強(qiáng)烈振動(dòng)的情況下，系統(tǒng)的集成傳感器也可以實(shí)現(xiàn)完美同步。此外，各個(gè)掃描儀的脈沖重復(fù)頻率越高，掃描線內(nèi)的點(diǎn)間距就越小，如此便能精確地測(cè)量諸如軌頭和架空線之類的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。除脈沖重復(fù)頻率之外，掃描頻率也是一個(gè)決定性參數(shù)，因?yàn)槊棵敕N的掃描線數(shù)量越多，列車進(jìn)行測(cè)量時(shí)可選的行駛速度就越高，且不會(huì)降低掃描線密度。

2 VMX-RAIL系統(tǒng)

RIEGL公司從事MLS系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和研究已經(jīng)多年。VMX-RAIL是其專門為長(zhǎng)期使用而開(kāi)發(fā)的最新鐵路用MLS系統(tǒng)。

VMX-RAIL采取緊湊設(shè)計(jì)，因此可根據(jù)需要，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的安裝裝置（帶減振器）集成在不同型號(hào)的試驗(yàn)車上，靈活地適應(yīng)各種情況。VMX-RAIL的探頭安裝在車頂（圖3），原因在于探頭的安裝高度決定其視野和激光束的測(cè)量角度。探頭滿足有關(guān)材料負(fù)載和環(huán)境影響耐受性的最高要求：①傾斜弧形設(shè)計(jì)可滿足尺寸和強(qiáng)度方面的要求，并確保傳感器具有最佳的方向;②外殼為粉末涂層的單模鑄件，耐受氣候影響。探頭中集成了眾多高靈敏度傳感器組件，如激光掃描儀、慣性測(cè)量系統(tǒng)（慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS/全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS）和高分辨率攝相機(jī)系統(tǒng)。為了便于維修，探頭采用模塊化設(shè)計(jì)，可以現(xiàn)場(chǎng)更換不同的組件，而無(wú)須拆卸整個(gè)系統(tǒng)。此外，激光掃描儀、INS/GNSS系統(tǒng)以及同步電子設(shè)備都安裝在特殊的防護(hù)罩中，如果需要，可以將防護(hù)罩單獨(dú)拆下。探頭中安裝了3個(gè)360°全覆蓋的高精度激光掃描儀，其安裝方向不同，安裝角度有一定的偏斜。這種設(shè)計(jì)拓寬了測(cè)量系統(tǒng)的視野，減小了掃描陰影區(qū)域。此外，3個(gè)掃描儀的檢測(cè)范圍有很大程度的重疊，如此不僅增加了冗余度，提高了檢測(cè)的可靠性，而且還生成了連續(xù)交叉的鐵路路基掃描圖案，有利于精確提取檢測(cè)對(duì)象。VMX-RAIL的控制組件（PC、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、電源）位于車內(nèi)操作員工作站中，并通過(guò)電纜連接至探頭。

VMX-RAIL的主要任務(wù)是沿軌道進(jìn)行建筑接近限界監(jiān)測(cè)。它實(shí)現(xiàn)了LiDAR信號(hào)的數(shù)字化（采用基于脈沖傳播時(shí)間方法的RIEGL“智能波形”技術(shù)），使每個(gè)激光束可檢測(cè)多個(gè)目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量點(diǎn)的最佳分布以及輸出經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的幅度和反射率值，如此便能得出有關(guān)所測(cè)對(duì)象材質(zhì)的結(jié)論。因此，該系統(tǒng)特別適合用于植被檢測(cè)。使用者可根據(jù)VMX-RAIL的植被檢測(cè)結(jié)果以及當(dāng)?shù)氐奶囟ㄐ枨?，?guī)劃安全和維護(hù)措施，以節(jié)省人力和物力。例如，去除阻礙鐵路交通的植被，在鐵路沿線施用除草劑或者修復(fù)鐵路路堤（LiDAR可以檢測(cè)低矮植被下的鐵路路堤輪廓）。

VMX-RAIL系統(tǒng)能對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行多角度測(cè)量，有利于基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)檢測(cè)、規(guī)劃或更新。此外，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)還能與ULS或TLS采集的數(shù)據(jù)集融合，達(dá)到相互補(bǔ)充的目的。

3 VMX-RAIL的數(shù)字化 3D 點(diǎn)云

基于數(shù)字化3D點(diǎn)云或數(shù)字化3D模型的應(yīng)用程序數(shù)量正穩(wěn)步增加，其應(yīng)用范圍從最初的建筑接近限界檢測(cè)和資產(chǎn)管理，擴(kuò)展到如今的采集用于基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃及維護(hù)的高精度基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在這種情況下，許多公司都制定了數(shù)字化戰(zhàn)略，其中，數(shù)字化建筑數(shù)據(jù)模型——即眾所周知的建筑信息模型（BIM）構(gòu)成了過(guò)程鏈的核心組成部分。在不同建設(shè)階段精確測(cè)量的3D數(shù)據(jù)可在規(guī)劃開(kāi)始時(shí)用于基礎(chǔ)設(shè)施建模，在建設(shè)結(jié)束時(shí)記錄并存儲(chǔ)已建成基礎(chǔ)設(shè)施的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

為了滿足上述數(shù)字化需求，VMX-RAIL中設(shè)計(jì)了3個(gè)高精度激光掃描儀的組合。這是世界上首次將3個(gè)激光掃描儀集成在1個(gè)系統(tǒng)中，其目的在于形成一種獨(dú)特的、可產(chǎn)生交叉掃描線的密集掃描模式。掃描儀的特殊布置和對(duì)齊方式可以最大限度地減少掃描陰影，并記錄結(jié)構(gòu)良好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。因此，VMX-RAIL的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為下一步的對(duì)象提取和3D建模奠定了良好基礎(chǔ)。圖4顯示了VMX-RAIL掃描線在不同方向平面上的交叉。表1列出了與掃描儀相關(guān)的VMX-RAIL性能參數(shù)。

以下對(duì)VMX-RAIL點(diǎn)云的分析基于2019年1月從法國(guó)國(guó)家鐵路公司（SNCF）Réseau線路上采集的數(shù)據(jù)集。VMX-RAIL被集成到1輛Vigirail試驗(yàn)車中，用于監(jiān)測(cè)法國(guó)鐵路線網(wǎng)。其組件——RIEGL-VUX-1HA掃描儀具有脈沖重復(fù)頻率高、測(cè)量精度高的特點(diǎn)，能夠以高分辨率采集鐵路基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)。圖5顯示了在一次行駛過(guò)程中所采集的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施圖像。由圖5可知，由于激光掃描儀的優(yōu)化設(shè)計(jì)和排列，掃描視野得以拓寬（甚至可以采集鄰近軌道的圖像），掃描陰影達(dá)到了最小化。此外，該系統(tǒng)還能精確檢測(cè)到諸如架空導(dǎo)線及其支架之類的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，從而可以進(jìn)行各種評(píng)估和分析。

Vigirail試驗(yàn)車通常以80 km/h的速度行駛，在某些路段會(huì)以極低的速度（約20 km/h）行駛。圖6顯示了VMX-RAIL在不同行駛速度下采集的軌道圖像。VMX-RAIL安裝在軌道上方約4 m處，每秒可進(jìn)行300萬(wàn)次掃描。列車行駛速度為20 km/h時(shí)，掃描點(diǎn)密度約為每平方米21 000點(diǎn);列車行駛速度80 km/h時(shí)，約為每平方米5 300點(diǎn)。

對(duì)軌頭的精確測(cè)量是可靠地計(jì)算軌道軸線的前提。圖7顯示了對(duì)軌頭信息的提取過(guò)程。上圖和中圖為按高度著色的點(diǎn)云。下面2圖是對(duì)3個(gè)掃描儀測(cè)量精度的分析，每個(gè)激光掃描儀的點(diǎn)云分別用不同的顏色標(biāo)示，紅色為掃描儀1，藍(lán)色為掃描儀2，綠色為掃描儀3。由于3個(gè)掃描儀的掃描輪廓有交叉和重疊，因此即使列車在80 km/h及以上的高速狀態(tài)下行駛，該系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)很好的軌跡掃描。

4 結(jié)語(yǔ)

車載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)作為一種先進(jìn)的數(shù)據(jù)獲取手段已受到關(guān)注，其數(shù)據(jù)能夠更加直觀、快速地展現(xiàn)和分析鐵路線路狀況，是鐵路監(jiān)測(cè)的有效手段。隨著該技術(shù)的發(fā)展，在不久的將來(lái)其必將得到大力推廣和普遍應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]Harald Teufelsbauer， Ursula Riegl. Mobile LiDAR-Systeme im Vergleich[J]. Der Eisenbahn Ingenieur，2019（9）：26-31.

蘇靖棋 編譯

收稿日期 2019-10-30