車載激光雷達(dá)測量技術(shù)在鐵路既有線復(fù)測中的應(yīng)用

劉長瑞

（甘肅鐵道綜合工程勘察院有限公司，蘭州730000）

1 引言

傳統(tǒng)的既有線測量方法主要依靠人工上道測量方法，人工上道復(fù)測存在較大的安全隱患，且工序多、測量效率低。在這種情況下，進(jìn)行技術(shù)性變革已勢在必行?；诹熊嚻脚_的車載激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行外業(yè)測量數(shù)據(jù)獲取，可以快速獲取鐵路周圍地形的空間幾何信息，并很好地補(bǔ)充航空攝影測量經(jīng)常遇到的復(fù)雜地形內(nèi)的遮擋與盲區(qū)問題，為既有鐵路測量提供高質(zhì)量的地理空間數(shù)據(jù)[1]。

2 車載移動激光雷達(dá)測量系介紹

車載移動激光雷達(dá)測量系統(tǒng)集成GNSS、IMU慣性導(dǎo)航單元、三維激光掃描、影像處理、攝影測量及集成控制等高新技術(shù)，通過三維激光掃描采集空間信息，全景照相獲取影像，由衛(wèi)星及慣性定位確定影像的位置姿態(tài)等測量參數(shù)，在點(diǎn)云上實現(xiàn)測量，完成測繪任務(wù)[2]。本文以Leica Pegasus:Two移動激光掃描系統(tǒng)在酒額鐵路既有線改造工程中的應(yīng)用為例進(jìn)行介紹。

3 前期準(zhǔn)備工作

3.1 基站準(zhǔn)備

在地面布設(shè)GPS基站，并與機(jī)載POS系統(tǒng)內(nèi)置GPS接收機(jī)同步進(jìn)行GPS觀測，以實現(xiàn)動態(tài)DGPS相位差分測量定位。鐵路沿線每20km架設(shè)一個GNSS靜態(tài)基站或CORS參考站。

3.2 控制點(diǎn)、檢查點(diǎn)、標(biāo)靶布設(shè)

控制點(diǎn)：在開放天空環(huán)境下，Leica Pegasus:Two的絕對精度達(dá)到平面2cm，高程2cm，無須控制點(diǎn)糾正即可滿足鐵路測量的要求。在天空遮擋嚴(yán)重的情況下（兩側(cè)樹木很高、山體遮擋等），可布置少量控制點(diǎn)，每隔0.5km布設(shè)一個控制點(diǎn)。

檢查點(diǎn)：通過RTK+水準(zhǔn)儀的方式每隔一定距離測一個點(diǎn)（平面+高程），用于精度檢查。檢查點(diǎn)需做標(biāo)記，以便在移動激光掃描系統(tǒng)快速駛過的同時，能夠掃描、識別檢查點(diǎn)中心。

檢查點(diǎn)或控制點(diǎn)標(biāo)靶：檢查點(diǎn)或控制點(diǎn)的標(biāo)記可做白色十字對角噴漆，每個白色正方形噴漆邊長為30cm×30cm，這樣能夠保證速度在40～60km/h的情況下，仍能通過軟件擬合標(biāo)靶中心。標(biāo)志測量方式采用GPS快速靜態(tài)測量方法施測[3]。

3.3 設(shè)備安裝準(zhǔn)備

Leica Pegasus:Two移動激光掃描系統(tǒng)安裝簡單方便，可安裝到帶有平臺的任何列車上，將設(shè)備抬至車頂，并上緊8個螺栓，設(shè)備就穩(wěn)固在車輛上，10min內(nèi)即可完成安裝。

4 外業(yè)采集階段

外業(yè)采集步驟包括：（1）初始化自檢校：在開放天空環(huán)境，GNSS靜態(tài)觀測15min，IMU動態(tài)初始化3～5min（左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、加速、減速）；（2）開始掃描：操作采集軟件，開始測量；測量時，保持勻速，遇到橋下、隧道時，快速通過，通過后找到開放天空環(huán)境，靜止約10s，使GNSS重新鎖定。測量過程可隨時停車，但不可倒行；（3）結(jié)束自檢校：行駛至開放天空環(huán)境，GNSS靜態(tài)觀測5min，無須再做動態(tài)初始化；（4）數(shù)據(jù)下載：在現(xiàn)場或?qū)⒃O(shè)備運(yùn)回駐地，用移動設(shè)備拷貝數(shù)據(jù)即可。

5 內(nèi)業(yè)處理流程

外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，使用配套后處理軟件即可完成數(shù)據(jù)的處理，數(shù)據(jù)處理人工干預(yù)少，自動化程度高，主要步驟如下：（1）首先用Inertial Explorer軟件后差分方式解算軌跡；（2）用徠卡Infinity軟件設(shè)置好本地坐標(biāo)，通過參數(shù)設(shè)定或控制點(diǎn)對計算的方式；（3）用徠卡Pegasus Manager軟件進(jìn)行自動掛機(jī)處理數(shù)據(jù)，自動生成彩色三維LAS點(diǎn)云+全景照片+內(nèi)外方位元素（見圖1）；（4）在ArcGIS里，用Map Factory進(jìn)行控制點(diǎn)平差（如果需要）；（5）在ArcGIS里，用Map Factory提取地物特征，生成平面圖、斷面等；（6）或在其他客戶已有的徠卡或第三方軟件中制作專業(yè)成果，如里程丈量、曲線要素查定、坡度計算、軌道平順性檢測、鐵路數(shù)據(jù)庫管理幾方面。

圖1 RGB點(diǎn)云成果

6 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

點(diǎn)云數(shù)據(jù)可通過檢查點(diǎn)或已有地形圖的方式來驗證點(diǎn)位精度，在徠卡Map Factory for ArcGIS或Terrasolid軟件中可實現(xiàn)。

將檢查點(diǎn)或地形圖以txt或dwg格式導(dǎo)入ArcGIS軟件中，在Map Factory工具下，選取點(diǎn)云中的檢查點(diǎn)，逐點(diǎn)對比X、Y、Z坐標(biāo)，在屬性表中可查看坐標(biāo)誤差，并導(dǎo)出Excel格式。

7 車載激光雷達(dá)技術(shù)獲取鐵路既有線信息

7.1 提取線路里程

傳統(tǒng)測量方法中，里程丈量采用拉百尺標(biāo)的方式進(jìn)行，是其他測量工作的先導(dǎo)?；谲囕d激光雷達(dá)測量技術(shù)的既有線測量可無須進(jìn)行里程丈量，因為通過激光掃描可直接獲取全線軌道信息，在提取出軌道中心線并確定里程起點(diǎn)后，可直接推算里程（見圖2）。

7.2 線路及平面高程測量

通過車載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取出的軌道中心線完全可替代傳統(tǒng)基于全站儀和水準(zhǔn)儀方法測量的軌道平面和高程數(shù)據(jù)?；谲囕d激光雷達(dá)軌道中心線進(jìn)行線形擬合后，可高精度、高密度地恢復(fù)軌道線形，為后續(xù)分析、計算及填寫復(fù)測等奠定基礎(chǔ)（見圖3）。

圖2跟蹤軌面線形成粗略軌面線

圖3精確軌面線提取

7.3 構(gòu)筑物測量

線路上的橋梁、涵洞等構(gòu)筑物均應(yīng)在復(fù)測中進(jìn)行測量，基于車載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，可直觀地分辯橋梁等構(gòu)筑物，從激光雷達(dá)數(shù)據(jù)中提取相關(guān)要素。對于涵洞、站房等構(gòu)筑物，個別激光雷達(dá)掃不到的地方，采用背包測量方法進(jìn)行補(bǔ)充。

7.4 既有鐵路橫斷面測繪

傳統(tǒng)的既有鐵路橫斷面主要依靠人工方式進(jìn)行測量，這種測量方法對既有線干擾大，作業(yè)危險系數(shù)高。采用車載激光雷達(dá)技術(shù)獲取到既有線數(shù)據(jù)后，即可利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)生產(chǎn)橫斷面。

8 精度質(zhì)量檢核分析

車載雷達(dá)外業(yè)測量和數(shù)據(jù)處理過程中，需要從多方面控制數(shù)據(jù)質(zhì)量，主要包括：在GPS動態(tài)差分解算中，應(yīng)嚴(yán)格解算質(zhì)量檢查，通過雙傳感器激光點(diǎn)云的匹配分析慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（POS）軌跡線的定位、定姿誤差，進(jìn)行數(shù)據(jù)精度的評價分析；為保證既有線復(fù)測成果正確，滿足設(shè)計要求及相關(guān)規(guī)范要求。本次全線復(fù)測采用車載移動測量系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)測，對上元站、航天城站選取10km段落，進(jìn)行人工復(fù)測、車載移動測量系統(tǒng)、天寶手推式Trimble GEDO IMS+SCAN方法，3種方法進(jìn)行比對，為了驗證車載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)生產(chǎn)斷面的精度，在現(xiàn)場先取部分段落人工實測橫斷面，將實測斷面與激光雷達(dá)生產(chǎn)斷面進(jìn)行對比分析，有效檢核既有線復(fù)測成果是否滿足規(guī)范及各專業(yè)設(shè)計要求，對比成果，人工復(fù)測的數(shù)據(jù)與掃描的數(shù)據(jù)較差平面X最大0.031m，Y最大為-0.029m，高程最大為-0.018m，基于車載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)快速生成滿足鐵路設(shè)計各專業(yè)的高精度既有線資料，整體精度平面精度達(dá)到0.05m，高程精度達(dá)到0.03m，滿足鐵路設(shè)計要求。

9 車載激光雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)勢

9.1 絕對精度高，需要控制點(diǎn)數(shù)量少，節(jié)省人工布點(diǎn)工作量和時間成本

在開放天空環(huán)境下，徠卡Pegasus:Two的絕對精度達(dá)到平面2cm，高程2cm，無須控制點(diǎn)糾正即可滿足既有線鐵路復(fù)測要求。即使在天空遮擋嚴(yán)重情況下（兩側(cè)樹木很高、山體遮擋等），可布置少量控制點(diǎn)，比如，每隔0.5km布設(shè)1個控制點(diǎn)，僅需要少量控制點(diǎn)就能達(dá)到鐵路測量要求，能夠減少外業(yè)布點(diǎn)的工作量和時間，減少需要的工作量和時間成本，提高效率。

9.2 可擬合標(biāo)靶中心，無須掃描到中心點(diǎn)，提高采集車輛行駛速度

徠卡在AutoCAD和ArcGIS平臺的插件Map Factory可以實現(xiàn)擬合十字標(biāo)靶中心的功能。通過分別選取橫、豎2條直線，軟件可自動擬合十字中心。這樣不僅比人工選點(diǎn)更準(zhǔn)確，而且能夠避免因必須掃描到中心而刻意降低行駛速度的做法，能夠大大提高外業(yè)采集效率，采集速度可達(dá)60～80km/h，滿足鐵路最低限速的同時，還能縮短作業(yè)時間，提高安全性。

9.3 RGB彩色點(diǎn)云質(zhì)量高，準(zhǔn)確還原現(xiàn)場，提高繪圖效率

徠卡Pegasus:Two具有2個360°掃描儀，每個掃描儀能夠獲取1.0×106點(diǎn)/s，掃描頻率達(dá)到200Hz，總共能獲取2.0×106點(diǎn)/s的高點(diǎn)密度三維點(diǎn)云。獲取的三維點(diǎn)云可自動根據(jù)照片著色，生成RGB真彩色點(diǎn)云，憑借超高點(diǎn)密度和掃描頻率，使得點(diǎn)云栩栩如生，準(zhǔn)確還原現(xiàn)場環(huán)境（見圖4），無須頻繁在點(diǎn)云和照片之切換，提高繪圖效率。

圖4 RGB彩色點(diǎn)云準(zhǔn)確還原現(xiàn)場環(huán)境

9.4 數(shù)據(jù)全自動掛機(jī)處理，無須人工干預(yù)，節(jié)省內(nèi)業(yè)處理工作量

徠卡Pegasus Manager能夠?qū)崿F(xiàn)將原始點(diǎn)云、影像，通過全自動掛機(jī)處理，生成具有本地坐標(biāo)的、彩色三維LAS點(diǎn)云以及全景照片。采集與處理時間比約為1∶3，可大大縮短處理時間。

只需要提前定義好設(shè)置參數(shù)，整個掛機(jī)過程無須人工干預(yù)，計算機(jī)自動完成，這樣不僅能夠節(jié)省內(nèi)業(yè)處理的人工量，還能提高晚上休息時間的利用率，節(jié)省時間。

9.5 技術(shù)效益較高

車載激光雷達(dá)系統(tǒng)是將三維激光掃描系統(tǒng)（包括激光掃描儀、數(shù)碼影像傳感器以及GPS_IMU系統(tǒng)）整體加裝在交通運(yùn)輸平臺上進(jìn)行激光雷達(dá)掃描作業(yè)的主動式動態(tài)測量系統(tǒng)，其目的就是為了能在更長，更遠(yuǎn)的范圍內(nèi)獲取測區(qū)點(diǎn)云，建立測區(qū)DSM以及DTM模型。從作業(yè)方式上看，車載激光雷達(dá)系統(tǒng)可以安裝于鐵路通勤車或軌檢車（時速較慢）的車廂尾端進(jìn)行掃描作業(yè)，其成果可以應(yīng)用于鐵路復(fù)測，而且具有以下幾個方面的優(yōu)勢：

1）作業(yè)員不上道作業(yè)，安全系數(shù)高。設(shè)備安裝完成后，作業(yè)員只需在列車上對系統(tǒng)控制終端進(jìn)行操作，區(qū)間內(nèi)作業(yè)員只需完成基站的架設(shè)以及布標(biāo)的作業(yè)，無須上道作業(yè)，比之傳統(tǒng)作業(yè)方法安全性大大提高，這樣的優(yōu)勢隨著列車時速的不斷提速顯得更加重要。

2）作業(yè)時間段不受“天窗時間”限制。傳統(tǒng)的作業(yè)方法作業(yè)員因安全需要，只能在夜間的“天窗時間”內(nèi)作業(yè)，而車載的方法在作業(yè)時間段的選擇上顯然不受此局限。

3）外業(yè)工作量大大減少，整體作業(yè)效率高。車載激光雷達(dá)系統(tǒng)的作業(yè)只需在測區(qū)內(nèi)完成基礎(chǔ)控制測量，數(shù)碼影像成果可真實反映現(xiàn)場情況，激光點(diǎn)云可實測軌道三維位置，這將使復(fù)測的外業(yè)工作量大大減少，整體作業(yè)效率大大提高。

4）工務(wù)設(shè)備調(diào)查可靠度高，有可查依據(jù)。數(shù)碼影像成果真實記錄現(xiàn)場鐵路狀況以及公務(wù)設(shè)備情況，使得復(fù)測諸表以及車站諸表的制定“有據(jù)可查”。調(diào)查成果更加可靠。