車載移動測量系統在鐵路線測量中的應用

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車載移動測量系統在鐵路線測量中的應用

李雪義1，翟玉平1，田源2

(1. 烏魯木齊市國土資源勘測規劃院，新疆 烏魯木齊 830002； 2. 拓佳豐圣(上海)科貿有限公司，上海 200000)

一、引言

車載移動測量系統集成GNSS、IMU慣性導航單元、三維激光掃描、影像處理、攝影測量、地理信息系統及集成控制等高新技術，通過三維激光掃描采集空間信息，全景照相獲取影像，由衛星及慣性定位確定影像的位置姿態等測量參數，最終在影像上實現虛擬測量，完成測繪任務。目前，車載移動測量系統已成為應用廣泛的地面測繪手段。

蘭新鐵路新疆段作為全疆鐵路重要的骨干線路，全線封閉運行，是通往內地的鐵路生命線。烏魯木齊管轄從烏西三坪車站到甘肅境內的柳園鐵路線路，全長約830 km。為了完成鐵路資產確權與核準工作，筆者所在單位承擔了蘭新鐵路從河西站至烏魯木齊西站共計36站(場)的鐵路土地使用權線路測繪工作。由于項目要求工期緊，時間又是冬季，天氣寒冷，且沿途環境惡劣，途徑“百里風區”“無人區”等區域，采用常規作業的方式完成鐵路線路測量的難度大。經過調研，最終決定采用拓普康IP-S2 compact+車載移動測量系統采集并測量鐵路沿線的地理基礎信息，這也是筆者所在單位首次利用車載移動測量系統實施的鐵路線路測量工程。

二、項目設計與車載設備改造

筆者所在單位根據項目的實際情況，與鐵路局技術人員認真分析沿途線路的線路運行、環境保護、人員安全、沿線設施等方面的狀況，組織相關技術人員研究項目各個環節的詳細實施步驟，編制項目整體設計和實施方案，確保項目順利開展。

1. 項目方案設計

項目方案設計以地籍測量相關規范為準，緊緊圍繞鐵路線路運行與三維激光掃描設備測量工作要求進行項目設計，主要包含以下兩方面。

(1) GNSS基準站的站點設計與聯測計劃

為了配合拓普康三維激光掃描設備的正常工作，結合設備要求，需要在每個車站之間設置一個或兩個GNSS基準站，每個GNSS基準站需與已有1980西安坐標的控制點聯測，解算GNSS基準站的1980西安坐標，用來與三維激光掃描設備進行數據差分計算。火車行車停靠與出發時間間隔不超過50 min，為了保證差分解算的精度，各車站間距不宜超過30 km，火車行車速度不宜超過65 km/h。依據這些基本要素數據，筆者所在單位完成了項目整體方案的規劃與設計，車站與GNSS基站點布設分布如圖1所示。

(2) 鐵路車輛運行與三維激光掃描工作實施

依據此次鐵路線路測量的要求及政府部門的相關規定，本文將整體測量工作按鐵路測量要求分為上行和下行兩部分進行。總體時間安排為上行工程3 d，下行工程3 d，在甘肅省柳園縣進行設備的整體調轉。由鐵路局制定車輛的行駛時間表，開行鐵路測量專列，測量工作人員及配合人員均按行車時刻表進行工作任務的分配。

圖1　車站與GNSS基站點布設分布圖

2. 車載設備改造

由于拓普康車載移動測量系統常規承載平臺為汽車，全國移動測量系統在火車上的應用都鮮有成功實施案例，因此為了保證設備在火車上的正常運行，各方技術人員就設備各部件的安裝與調研進行了研究，解決了安裝過程中的多項難題。

(1) 人員及操作室

采用“軌道車+平板車+集裝箱”的方式來保障人員、設備等在行駛過程的安全與操作。將集裝箱作為測量人員的操作室，集裝箱加裝固定鋼繩。設備電源由軌道車進行不間斷供電。此舉可進一步保護測量人員在火車運行中的人身安全，提升整體作業舒適度。

(2) 設備的安裝與調試

將拓普康車載移動三維激光掃描設備安裝在平板車的尾部。依照鐵路部門相關規定，電氣化鐵路上線車輛任何承載物體均不得超過車頭高度，因此筆者所在單位根據集裝箱的高度，采用CAD模塊化定制一臺鋼架，將其固定在平板車尾部的木板上，鋼架均使用螺絲與木板牢牢固定。頂部加裝厚橡膠底，用于減少平板車對鋼架及設備的震動。三維掃描設備的安裝與調試如圖2所示。

圖2　數據處理流程

(3) 車輪編碼器的安裝與調試

拓普康車載移動測量系統包含兩只車輪編碼器，可進一步抵消車輛轉向過程中的內外輪徑差，用于對車輛行駛距離的量測，但依據鐵路安全運行相關管理辦法，火車車輪不能進行更換螺絲螺母和電焊作業，更不能隨意更換部件。后經過現場充分討論與研究，自行設計出適合火車車輪的相關部件，最終可使車輪編碼器在不破壞原有火車車輪的情況下固定在車輪上，并保持車輪編碼器與火車輪同心轉動。

三、三維激光掃描數據采集與數據預處理

拓普康 IP-S2 compact+移動測量系統集成度非常高， 在采集過程中僅需通過使用一款采集軟件即可對全部傳感器狀態實現實時監控，并可同步瀏覽實時采集成果。自動化后處理軟件模塊簡單，無須過多人工操作，簡單易學，輕松掌握。

1. 數據采集

使用拓普康移動測量系統配套數據采集軟件只需要設定數據采集存儲目錄，檢查設備各傳感器運行狀況，火車在較短時間行駛速度達到25 km/h后，完成車輪編碼、慣導系統的初始化即可開始正常作業。在火車上進行掃描測量時，操作室內技術人員與火車司機進行實時對講，以保證火車開行速度能夠滿足設備的工作要求。

2. 數據預處理流程

使用拓普康Geoclean Workstation進行項目數據的預處理，將掃描數據、慣導數據、照片數據、GNSS數據等進行數據差分解算、點云融色與輸出、全景數據坐標賦值、點云數據轉換與分類等方面工作。數據處理流程如圖3所示，拓普康IP-S2 compact+真彩色三維激光點云成果如圖4所示。

圖3　數據處理流程

四、線劃圖DLG數據編繪與成果應用

蘭新鐵路新疆段各段點云數據量大、分類處理時間較長，獲得的三維點云原始數據超過300 GB，三維全景數據超過400 GB。依據項目要求，主要將掃描數據中的鐵路數據提取及編繪出來，以滿足鐵路線路地籍圖與宗地圖、面積計算與統計工作。

1. 點云DLG線劃數據采集與編繪

采用PointTools軟件進行點云數據的導入與DLG線劃數據的繪制，用WALK軟件進行DLG線劃數據的符合性檢查、地籍圖與宗地圖的制作、線路面積計算與統計等工作，如圖5所示。

2. GIS數據更新與應用

利用筆者所在單位的測繪生產管理系統和WALK軟件，將城鎮地籍GIS庫中烏魯木齊地區的鐵路線路數據進行更新，完善GIS數據庫，如圖6所示。

圖4　拓普康IP-S2 compact+真彩色三維激光點云成果

圖5　宗地圖

圖6　院二調城鎮GIS數據庫

五、車載移動測量系統的應用

此次使用拓普康移動測量系統在蘭新鐵路上的測圖項目是車載移動測量系統的成功應用，進一步提升了移動測量系統在多種領域中的應用。除鐵路測量外，移動測量系統的主要應用方向還有：

1) 工程測繪：基礎地形測繪，斷面圖，邊坡安全監測，土石方計算，坡度、坡向的計算，高分辨率的全景影像進行專業調查，地質判視等。

2) 基礎地理信息的采集：快速獲得城市全景影像及點云數據，在城市道路管理、高速公路資產管理、城市運輸凈空管理、城市部件調查等方面，將會大大提高工作效率。

3) 城市二三維GIS建設：快速獲取的點云與全景影像不僅可以用于二維GIS數據數據采集與更新工作，而且可以構建三維虛擬場景、城市建模，方便進行城市規劃、項目設計、實景旅游等工作。

4) 其他：城市全景、街景地圖、公安警用實時全景數據應用，為城市規劃、數字化城市、智慧城市等快速提供基礎地理信息。

六、結束語

本次蘭新鐵路新疆段線路采用車載移動測量系統完成測繪項目，積累了三維激光掃描設備的操作使用、數據處理與分析、點云數據分類處理等新技術應用的經驗，大大提高了工作效率，拓展了三維激光掃描設備在國土三維地籍、土地監察、數字城市、城市規劃建設等方面應用，產生了良好的社會效益與經濟效益。隨著車載移動測量系統在更多不同行業的深入應用，測繪新裝備、新技術的發展和應用將得到更多用戶的接受和認同。

(本專欄由拓佳豐圣和本刊編輯部共同主辦)