三維激光掃描技術(shù)在既有軌道檢測中的應(yīng)用

摘" 要：在既有軌道檢測中，傳統(tǒng)接觸式測量的檢測方法存在速度慢、影響列車運(yùn)營、威脅測量人員人身安全等缺陷。該文采用三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)檢測方法相結(jié)合的形式，利用萬能道尺、RTK技術(shù)、水準(zhǔn)儀和全站儀等儀器對測區(qū)內(nèi)長480 m軌道進(jìn)行接觸式測量；同時結(jié)合三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行全景掃描，基于三維激光掃描儀獲取的目標(biāo)線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云處理，對線路進(jìn)行封裝并提取目標(biāo)線路特征值。經(jīng)對所有現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)做后期處理及比對發(fā)現(xiàn)，掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)切片可以得到的軌道特征值均與傳統(tǒng)勘測方法獲取的數(shù)值相差，而且勘測速度、質(zhì)量都有所提高，降低勞動強(qiáng)度和周期，完全可以滿足現(xiàn)代既有軌道檢測要求。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；既有軌道；檢測；點(diǎn)云處理；數(shù)據(jù)提取

中圖分類號：U212.2" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）25-0189-04

Abstract： In the existing track inspection， the traditional contact measurement detection methods are slow， affect train operation， threaten the personal safety of measuring personnel， and so on. This paper adopts the combination of 3D laser scanning technology and traditional detection methods， and uses universal ruler， RTK technology， level， total station and other instruments to measure the track with a length of 480 m in the survey area; at the same time， based on 3D laser scanning technology for panoramic scanning， point cloud processing based on the point cloud data of the target line obtained by 3D laser scanner， the line is encapsulated and the eigenvalues of the target line are extracted. After post-processing and comparison of all the data collected in the field， it is found that the track characteristic values obtained by slicing the point cloud data obtained by scanner are different from those obtained by traditional survey methods， and the survey speed and quality have been improved， and the labor intensity and cycle have been reduced. It can fully meet the requirements of modern existing track detection.

Keywords： 3D laser scanning technology; existing orbit; detection; point cloud processing; data extraction

保證生產(chǎn)安全是鐵路運(yùn)輸恒久不變的主題，鐵路運(yùn)輸業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)備是線路設(shè)備，其常年經(jīng)受列車荷載的作用和風(fēng)雨凍融的影響，從而引發(fā)軌道幾何尺寸漸漸變化，比如路基和道床的變形，聯(lián)結(jié)零件、鋼軌、軌枕的磨損，這些均會引起鐵路線路設(shè)備狀態(tài)的變化[1]。因此，為確保鐵路線路質(zhì)量、保證鐵路運(yùn)輸安全就需要做好及時掌握鐵路線路設(shè)備的變化規(guī)律，檢測線路以便了解線路技術(shù)狀態(tài)，加強(qiáng)鐵路線路檢驗(yàn)勘測管理等基礎(chǔ)工作。

1" 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)是獲取物體空間數(shù)據(jù)的一種新方法。與傳統(tǒng)測量方法相比，三維激光掃描技術(shù)可以連續(xù)、自動、快速地采集目標(biāo)表面上的大量三維點(diǎn)數(shù)據(jù)，即點(diǎn)云（Point Clouds）[2]。該項(xiàng)技術(shù)具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如快速數(shù)據(jù)采集、實(shí)時性能、數(shù)據(jù)量大、精度高、強(qiáng)大的主動性、可以全天候工作、全數(shù)字功能、信息傳輸處理和表達(dá)很容易，從而提高測量效率，拓寬測繪技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，大大改善了現(xiàn)場測繪的工作環(huán)境，成為測繪領(lǐng)域流行的新技術(shù)手段。

三維激光掃描系統(tǒng)由三維激光掃描儀、電源、系統(tǒng)軟件及附屬設(shè)備構(gòu)成[3]。三維激光掃描儀的構(gòu)造主要包括：一臺高速精確的激光測距系統(tǒng)、水平方位偏轉(zhuǎn)控制器、一組引導(dǎo)激光反射并以均勻角速度掃描的反射棱鏡、數(shù)據(jù)輸出處理器（筆記本電腦）和高角度偏轉(zhuǎn)控制器，部分儀器還具有內(nèi)置的數(shù)碼相機(jī)，可以直接獲得目標(biāo)物的影像[4]。通過傳動裝置的掃描運(yùn)動，完成對物體的全方位掃描，通過一系列處理獲取目標(biāo)物表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[5]。

三維激光掃描技術(shù)利用激光的獨(dú)特和出色的性能在各種現(xiàn)場環(huán)境中穿透目標(biāo)，將三維數(shù)據(jù)完全收集在計(jì)算機(jī)中，快速準(zhǔn)確地重建待測量物體的三維模型，三維場景模型在古建筑重建、虛擬現(xiàn)實(shí)、地形測量、數(shù)字城市、城市規(guī)劃和智能交通等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和價值，是三維激光掃描技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于古建筑修復(fù)、文物保護(hù)、地形測繪、道路測量、邊坡監(jiān)測與數(shù)字化校園等領(lǐng)域，遠(yuǎn)程激光掃描儀可用于滑坡監(jiān)測、山體滑坡、塌岸、礦山塌陷及難以到達(dá)的地形監(jiān)測和體積計(jì)算等方面，并可有效監(jiān)測和控制變化的范圍和程度，有效應(yīng)用于防災(zāi)減災(zāi)。中程激光掃描儀主要用于船閘、大壩、橋梁的變形監(jiān)測。

2" 三維激光掃描儀數(shù)據(jù)采集

激光掃描數(shù)據(jù)采集實(shí)施階段主要分為3個階段：掃描目標(biāo)的選擇、控制點(diǎn)的布局、測量目標(biāo)全景掃描[6]。與其他傳統(tǒng)測量一樣，激光掃描控制測量也包括2部分，即平面控制測量和高程控制測量。在三維激光掃描儀掃描過程中，需將每站所采集的數(shù)據(jù)，按照對應(yīng)站點(diǎn)命名并保存數(shù)據(jù)，并且在保存每站數(shù)據(jù)前實(shí)時檢查數(shù)據(jù)，最大限度降低采集誤差。

現(xiàn)場測量采集數(shù)據(jù)時，三維激光掃描儀的掃描距離受到限制，同時便于對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和分析，需要對掃描一次無法完成的目標(biāo)（例如鐵路線、高速公路等）執(zhí)行多站掃描。為了將多個臺站獲得的數(shù)據(jù)連接成一個整體，掃描2個相鄰臺站上需要一些公共點(diǎn)。一般來說，在這些共同的點(diǎn)上放置一些共同的標(biāo)志，該標(biāo)志如圖1所示，拼接每個工作站的數(shù)據(jù)。由于球面參考標(biāo)志具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、表面分布均勻、光亮而不反光和直徑足夠大等優(yōu)點(diǎn)，對于直徑為120 mm的球體（圖2），其直徑的限差為-0.25 mmlt;dlt;0.2 mm，最大不圓度為0.1 mm，精度相對于其他標(biāo)志較好。為了不影響列車運(yùn)行，盡量減少鐵路運(yùn)行對掃描的影響，在布置標(biāo)靶之前，必須先確定數(shù)據(jù)收集的時間間隔。如果采集間隔過大，不僅會受到觀察條件的限制，而且后期內(nèi)部數(shù)據(jù)處理的精度也會降低，不能達(dá)到預(yù)期的采集效果。如果采集間隔太小，收集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)將會過大，數(shù)據(jù)傳輸和存儲過程中運(yùn)行緩慢，導(dǎo)致工作效率低下，同樣不能滿足要求。

本文將激光掃描儀安置在2個軌道之間，對現(xiàn)場480 m鐵路軌道進(jìn)行全景掃描。由于在掃描鐵路軌道條狀結(jié)構(gòu)時可能存在障礙物，因此在鐵路上進(jìn)行激光掃描時需要完成清障并進(jìn)行多站掃描。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)所選用的三維掃描儀的有效掃描距離，以20 m設(shè)一站，將3個目標(biāo)球體作為控制點(diǎn)布置在2個相鄰站點(diǎn)重疊位置，為后續(xù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理使用，在掃描過程中，目標(biāo)被安排在激光掃描儀前后3 m處。

3" 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)的預(yù)處理指的是直接在點(diǎn)云數(shù)據(jù)上操作，主要包括數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)縮減、數(shù)據(jù)特征提取、數(shù)據(jù)多視對齊和數(shù)據(jù)分割等[7]。數(shù)據(jù)縮減主要是由于數(shù)據(jù)量太大，為了提高工作效率，適當(dāng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行減少；數(shù)據(jù)拼接是將多站測量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接成一個整體；數(shù)據(jù)濾波主要是減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)的噪聲點(diǎn)；數(shù)據(jù)多視對齊是數(shù)據(jù)拼合和拼合后冗余數(shù)據(jù)處理；數(shù)據(jù)特征提取是針對目標(biāo)數(shù)據(jù)而對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行部分?jǐn)?shù)據(jù)提??；數(shù)據(jù)分割是將點(diǎn)云數(shù)據(jù)劃分成不同的塊，以方便提取需要的數(shù)據(jù)參數(shù)[8]。最終得到3D模型、各種影像等，在鐵路測量中可以對軌道幾何形位數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。

采用中海達(dá)三維激光點(diǎn)云瀏覽軟件HD 3LS SCENE View對軌道點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，軟件功能包括：點(diǎn)云數(shù)據(jù)瀏覽、點(diǎn)云渲染、點(diǎn)云選擇、量測分析、工具管理及數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出。三維瀏覽提供多種瀏覽工具，如三維自由瀏覽、查看全部、拉框放大、拉框縮小、設(shè)置旋轉(zhuǎn)中心和選擇觀察點(diǎn)；俯視圖點(diǎn)云渲染包括三維點(diǎn)云視圖渲染顯示方式、渲染設(shè)置及點(diǎn)顯示尺寸大小設(shè)置。

在實(shí)際測量中，受以下客觀條件影響，同一物體上測得的多個數(shù)據(jù)具有不同的基準(zhǔn)，需要在建模之前進(jìn)行拼接。

首次，物體的形狀很復(fù)雜。測量儀器不能一次完成整個表面的測量，并且物體表面的測量需要從多個角度進(jìn)行。

其次，物體尺寸過大超出了測量儀器的測量范圍，需要進(jìn)行多個區(qū)域測量，例如本實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)軌道。

最后，在測量過程中需要對物體進(jìn)行固定或夾緊，因?yàn)橹粶y一次不能獲得物體表面的所有數(shù)據(jù)，需要分別對固定或夾緊部分進(jìn)行測量?，F(xiàn)有的點(diǎn)云拼接技術(shù)根據(jù)處理過程可分為粗拼和精拼。目前主要采用3種拼接方法：①采用專用測量儀器直接拼接測量數(shù)據(jù)，該方法相對簡單快捷。它的精度取決于硬件，但是它的系統(tǒng)通常非常昂貴，且不能滿足任意角度測量。②通過在測量表面粘附標(biāo)記或放置目標(biāo)，通過標(biāo)記來拼接相鄰2站點(diǎn)云數(shù)據(jù)。這種方法需要足夠數(shù)量的標(biāo)記（2個站之間至少有3個相同的標(biāo)記），但是這種方法用于復(fù)雜地形是受限的。③利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接算法，將各站的掃描數(shù)據(jù)拼接成同一坐標(biāo)系。這種拼接方法的精度主要取決于拼接算法的優(yōu)缺點(diǎn)，這種方法大致可以分為基于點(diǎn)信息的拼接算法、動態(tài)拼接算法和基于影響的拼接算法。在本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中，采用針對于中海達(dá)Z+F高精度三維激光掃描儀配套的中海達(dá)三維激光點(diǎn)云瀏覽軟件HD 3LS SCENE View。由于軟件本身具有拼接功能，其準(zhǔn)確度完全可以滿足規(guī)范要求，該軟件用于直接進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，如圖3所示為軌道24站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接完成圖像。

數(shù)據(jù)拼接的誤差主要是坐標(biāo)配準(zhǔn)誤差。三維激光掃描儀工作時，通常會將周圍的物體分成幾個區(qū)域，區(qū)域會有相互重疊，每個區(qū)域都被分別掃描和測量。為了實(shí)現(xiàn)表面重建，需進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)處理。坐標(biāo)校正是將多坐標(biāo)系統(tǒng)掃描數(shù)據(jù)集統(tǒng)一到坐標(biāo)系中的一種方法。不管選擇何種配準(zhǔn)方法，都要選擇同名點(diǎn)，同名點(diǎn)的選擇直接影響到配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。不論采用標(biāo)靶糾正還是采用點(diǎn)云進(jìn)行糾正，誤差不可避免地會存在，對于大型目標(biāo)物的掃描，通常需要掃描多站，把各測站的標(biāo)靶組成一個閉合環(huán)。

4" 軌道結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)提取

為方便比對數(shù)據(jù)，對整段軌道取封裝效果較好且屬直線部分進(jìn)行了切片[9-10]，圖4將截取的切片數(shù)據(jù)進(jìn)行三維旋轉(zhuǎn)得到軌道道床的橫截面形式通過擬合，使用Geomagic軟件輸出.dxf 格式，導(dǎo)入CAD，在CAD 中進(jìn)行軌道橫截面數(shù)據(jù)提取。從圖5可以看出，沿內(nèi)外軌道頂面向下移動16 mm的點(diǎn)，量取軌距，量測結(jié)果為1.446 m。經(jīng)分析，與標(biāo)準(zhǔn)軌距1.435 m之間產(chǎn)生的誤差原因一是由于無法確保精確的軌道表面，二是因?yàn)樵诹烤鄷r無法保證垂直測量，亦因角度產(chǎn)生了誤差。道砟厚度為0.243 m，底部道砟寬度為4.663 m，路肩寬度0.602 m。針對于提取方法可知，在近距離范圍內(nèi)，道砟寬度不會有太大變化，近似可以視為同一數(shù)值，故可根據(jù)這個橫截面設(shè)計(jì)鋪砟量，進(jìn)而得到道砟缺失量或者過鋪量來指導(dǎo)道砟的鋪設(shè)。由圖4和圖5可以看出，經(jīng)過對所有現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)做后期處理及比對發(fā)現(xiàn)，掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)無論是坐標(biāo)還是經(jīng)切片得到的軌道特征值，均與傳統(tǒng)勘測方法獲取的數(shù)值相差，因而三維激光掃描技術(shù)完全可以滿足現(xiàn)代既有軌道檢測要求。

5" 結(jié)論

本文利用三維激光掃描儀對某廠內(nèi)480 m軌道進(jìn)行全景掃描，并基于三維激光掃描儀獲取的目標(biāo)線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)據(jù)后處理軟件HDscene及Geomagic進(jìn)行點(diǎn)云處理，對線路進(jìn)行封裝并提取目標(biāo)線路特征值。將提取出的軌道橫斷面，運(yùn)用CAD軟件提取軌道的幾何形位要素，幫助直觀地分析點(diǎn)云數(shù)據(jù)。經(jīng)對所有現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)做后期處理及比對發(fā)現(xiàn)，掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)無論是坐標(biāo)還是經(jīng)切片得到的軌道特征值，均與傳統(tǒng)勘測方法獲取的數(shù)值相差，因而三維激光掃描技術(shù)完全可以滿足現(xiàn)代既有軌道檢測要求。三維激光掃描技術(shù)既極大地提高了檢測效率，又不影響列車運(yùn)營，同時也提高了列車運(yùn)營效率，測量儀器的安全和測量人員的人身安全也有了保證。利用三維激光掃描儀進(jìn)行既有軌道勘測，激光掃描的不接觸性、準(zhǔn)確性、高效性更加符合現(xiàn)代檢測要求，會推動鐵路線路檢測設(shè)計(jì)現(xiàn)代化、智能化的進(jìn)程，從而加快鐵路事業(yè)更好更快發(fā)展。

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