天寶SX10地面激光掃描儀在鐵路工點勘察中的應用

曹思語，曹成度，李海亮

(1. 武漢市第十四中學，湖北 武漢 430060； 2. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

在新建鐵路的設計工作中，為了優化線路方案、設計重點橋梁的橋型橋式、選擇隧道進出口、排查不良地質等工作，需要對重要工點進行精細勘察。當前，工點勘察主要采用常規GPS、全站儀等手段人工實地測繪完成。由于鐵路重要工點多地處險、難環境下，采用常規方法存在工作效率低、安全風險大等問題[1]。

地面三維激光掃描技術作為一種三維空間信息數據實時獲取技術，近年來得到了迅猛發展，該技術可以在外業以主動、高效、非接觸的方式獲取被測目標的高精度、高密度三維點云[2-4]，后期在內業對三維點云進行處理、分析和數據挖掘，生產所需的數據成果[5-6]。該技術將大部分繁重的外業工作轉移到內業完成，特別適合工點勘察。

本文以天寶SX10地面三維激光掃描儀為例，對地面三維激光雷達技術在鐵路工點勘察中的應用進行研究，提出作業方案和流程，從而提高工點勘察的作業效率、成果質量和安全系數。

1 天寶SX10地面激光掃描儀

SX10地面三維激光掃描儀是天寶公司于2016年下半年推出的新一代激光掃描儀，如圖1所示。Trimble SX10激光掃描儀將測量、影像和高速掃描集成為一體，為工程、測繪等專業技術人員提供了創新的解決方案。該掃描儀具有以下特點：

(1) 集測量、影像和高速三維掃描于一體的革命性解決方案，不僅是一臺地面激光掃描儀，同時也可以作為全站儀和影像全站儀使用。

(2) 掃描速度高達每秒26 600個點，測程可達600 m，點尺寸100 m處僅14 mm。

(3) 可采用全站儀建站方式完成設站，建站精度高、效率高，無需反射靶標。

(4) 改進的Trimble VISION技術允許快速和方便地獲取高分辨率工地影像。

(5) 后期數據處理TBC軟件功能強大，可快速、高效地完成數據處理和成果生產。

圖1 天寶SX10地面激光掃描儀

2 作業方案

2.1 地面激光雷達數據采集

2.1.1 采集方案設計

為了項目能夠順利實施，應在采集前進行方案設計。方案設計時，應對項目現場進行踏勘，收集現場控制點等既有資料，了解掃描對象的范圍、空間分布、精度和分辨率要求等[7]。

完整的技術設計方案包括項目概況、技術設計依據、測量控制點布設方案、掃描儀選擇與參數設置、掃描數據拼接方案、數據處理方案、提交的成果、項目的工作進度計劃、人員分組、后勤保障等[8]。

2.2.2 控制網布設

控制網的設計應充分考慮項目精度需求[9]。天寶SX10地面激光掃描儀的設站方式比較獨特，可采用全站儀建站方式完成設站，建站精度高、效率高。在進行控制網布設時，應充分考慮掃描儀設站位置，可根據項目現場實際情況靈活選擇定向方法。本文推薦采用自由設站法，即保證任一架站點能夠通視兩個已知點，通過空間后方交會設站?？刂凭W施測方法可根據項目精度需求進行設計。

2.1.3 工點掃描

工點掃描的目的是獲取完整、符合精度要求的點云數據，是后續應用的基礎。掃描開始前要做好相關準備工作，主要包括儀器、人員組織、交通、后勤保障、測量控制點布設等。

天寶SX10地面激光掃描儀單站掃描的基本步驟如下：

(1) 儀器安置。在選擇好的架站位置，架設儀器，連接好相關配件，對中(在需要的條件下)、整平。

(2) 設站。通過觀測已知點，建立測站，推薦采用自由設站法。

(3) 掃描。通過平板電腦操作掃描儀，設置掃描參數，主要包括工程文件名、文件存儲位置、掃描范圍、分辨率等，確保參數設置無誤后即可開始掃描。

(4) 掃描檢查與換站。掃描完成后，應對點云和影像質量進行檢查，確保獲取了合格的數據，檢查數據無誤后可換站繼續掃描。

2.1.4 點云數據處理

外業掃描完成后，將數據導入TBC(Trimble business center)中，對點云數據進行拼接、融合和賦色。同時，利用TBC軟件的地形濾波功能濾除植被、建筑物等非地面點，最后將點云數據保存為LAS文件，用于后續應用。

2.2 地形圖測繪

(1) 地物采集。在TBC軟件中導入激光點云，通過三維瀏覽判斷地物邊界，并使用矢量勾繪功能繪制地物，繪制完成后將地物矢量導出為CAD格式文件，最后在CASS軟件中完成地物符號化。

(2) 等高線、高程點及陡坎提取。在TBC軟件中導入激光點云，并對點云根據地形特征進行抽稀后導入CASS中，基于CASS軟件自動內插等高線，采集高程點，繪制陡坎。

(3) 地物編輯。將地物、等高線、高程點和陡坎等融合在CASS中進行編繪，輸出地形圖。

2.3 不良地質解譯

在TBC軟件中通過三維瀏覽，并切換顯示方式，判識危巖落石、裂隙等不良地質信息，并基于TBC矢量勾繪功能標繪不良地質信息。不良地質解譯完成后，將解譯成果導出為CAD格式文件，疊加到地形圖上。

2.4 斷面測量

將濾波后的激光點云構建三角網，通過斷面平面線與三角網求交，從而切取橫、縱斷面，并在橫斷面上標繪地物和不良地質信息。

3 工程應用

衢寧鐵路是典型的山區鐵路，橋隧眾多，隧道口及橋臺處常常存在眾多危巖落石，給鐵路的施工和后期運營帶來了很大的隱患。

為了驗證本文方法，選取衢寧鐵路某隧道口進行工點勘察試驗。

試驗中基于鐵路基礎控制網在隧道口利用導線測量建立了激光掃描控制網，掃描控制網精度優于2 cm?；趻呙杩刂凭W，采用天寶SX10地面三維激光掃描儀獲取了平均點間距優于10 cm的點云。

掃描完成后，利用全站儀實地采集10個地物特征點和30個高程點作為檢查點，基于該檢查點統計激光點云的平面和高程精度見表1。

表1 激光點云精度統計 m

基于掃描的點云數據制作了1∶500地形圖，并解譯了不良地質信息，如圖2所示。同時根據設計要求，截取了20個橫斷面，為該隧道口的精細設計提供了數據支撐。

圖2 工點三維點云模型及不良地質信息解譯

通過該工點的應用，采用常規方法勘察約需要15 d，而采用本文方法外業采集需45 min，內業解譯需30 min，工作效率顯著提高，同時工點勘察質量也得到了有效保障。

4 結 論

隨著鐵路建設重心向中西部轉移，對鐵路設計提出了更高的要求[10]。傳統工點勘察模式在繁重的勘察任務、高標準的質量要求和工程周期面前面臨很大挑戰。

地面激光雷達技術作為一種快速、準確、經濟的測量方法[11]，能有效克服困難復雜地區工點勘察高精度三維地形數據獲取的難題[12]，可生產鐵路工點設計所需的橫縱斷面、地形圖，提取不良地質信息。

工程實踐應用表明，基于地面激光雷達技術的工點勘察方法可有效提高安全系數和成果質量，降低外業工作強度，大幅提高工作效率。