三維激光掃描移動測量在鐵路運營中的應用

李子雍

摘要：鐵路運輸是我國目前客運、貨運主要的運輸方式。截至2017年底，我國鐵路營業里程已達12.7×104km，其中高速鐵路2.5×104km。根據2016年修編的《中長期鐵路網規劃》，到2025年，我國高速鐵路通車里程將達到3.8×104km，并形成“八縱八橫”的高速鐵路網。隨著大量新建高速鐵路的施工及投入運營一些線路病害逐漸顯現出來，如隧道底板隆起、隧道變形、路基沉降、橋梁位移等。因此，在一定周期內需對高速鐵路施工現場或運營線路進行快速、長期的監測，如何在有限的人力、物力資源條件下提高測量技術水平，提高工作效率、確保工程質量就顯得十分必要。

關鍵詞：三維激光掃描;移動測量;鐵路運營;應用

1三維激光掃描移動測量系統

1.1三維激光掃描移動測量系統組成

（1）電源管理單元：對整套系統進行供電及相應的電路保護，從而保證系統的正常工作。（2）同步控制單元：通過電路控制將所有傳感器進行同步數據采集，并將采集到的相關數據上傳至存儲系統中。（3）數據采集單元：利用三維激光掃描、GPS/IMU組合導航（POS）定位定姿等技術獲取鐵路工程各種構筑物的各種相關信息，主要包括點云數據、全景影像、空間位置和姿態信息等。（4）軟件處理單元：針對采集回來的數據進行分析，包括平面坐標以及高程系統的處理分析。對于平面坐標，采用常規高程面模型投影解算出的點云必須經過適當的平移，才能轉換到軌道高程投影模型下，進而最大限度控制投影帶來的長度變形;高程系統基于的則是水準高系統，通過一定的算法將實測的大地高轉換成水準高，得到高精度的點云成果數據并可快速瀏覽。

1.2三維激光掃描移動測量的技術優勢

（1）三維激光掃描移動測量是基于三維激光掃描、慣性測量與GNSS定位技術的軌道高精度三維激光點云和高分辨率全景影響數據采集設備。（2）系統將控制網坐標動態傳遞到POS測量系統，采用聯合解算方法，滿足弱GPS信號甚至無GPS情況下絕對測量精度的提高，實現高速鐵路軌道快速、自動、連續、無縫、高精度定位定姿測量。（3）通過點云數據可以提取既有線中線里程、中線坐標、軌面高程、路基斷面、地形地物點資料。（4）利用360°全景影像及點云效果圖的真實、可視化優勢，進行既有線路的路基病害、線路設施、跨線凈空資料調查，提高既有線勘測與調繪的準確性、完整性。（5）采用三維激光掃描移動測量技術改進了鐵路既有線現狀測量方法;減少作業流程及時間，提高了作業效率;減少與運營列車的相互干擾，確保測量人員、設備及運營的安全。

2高速鐵路軌道數據測量

2.1測試過程

2.1.1約束點的布置

（1）利用施工加密CPⅡ點作為基站約束控制點。（2）充分利用沿線已有CPⅡ及CPⅢ控制網進行靶標布設，CPⅡ控制點作為基站，CPⅢ控制網按照60m左右間隔在鐵路兩側布設成對靶標，相鄰兩個靶標布設在鐵路的不同側。靶標可以沿CPⅢ控制網依次不間斷進行布設，后續為測試不同靶標密度（間距）對精度的影響再選取不同密度的靶標進行融合解算。

2.1.2現場數據采集

本次測試同步進行標靶布設和現場數據采集，標靶布設需要配備4人（分2組進行靶標安裝和拆卸傳遞），移動測量系統儀器操作員1人。

2.2掃描數據處理

2.2.1航跡解算

掃描完成后，利用車載激光掃描儀上的GPS數據與同步的地面基站數據進行差分，聯合高精度激光慣導及里程編碼器數據融合解算出高精度的航跡文件。

2.2.2設備自檢校

自檢校過程主要包括設備系統標定，內部設備精度檢校。

2.3基于控制點約束校正的精度改善試驗與分析

2.3.1平面高程約束點精度統計

（1）間距為800m的CPⅢ點作為約束點，其他CPⅢ點作為驗證點的精度統計。當采用間距為800m的CPⅡ作為約束點時，其大部分測試點的精度均<1cm，個別單點平面高程精度<2cm;，但其平面及高程標準差均<1cm，滿足既有普速鐵路快速高精度檢測與測量的精度要求。（2）將測段內所有CPⅢ點作為約束點。在測段范圍內，將所有CPⅢ點作為約束點時，其單點平面精度<1cm;其高程精度<1cm，滿足高速鐵路工程測量規范的精度要求。

2.3.2軌面高程提取精度統計

在測段范圍內，采用電子水準儀對軌面高程進行水準測量，與采用不同CPⅢ間距約束點計算提取的軌面高程進行對比。約束點的精度越高，點云數據精度越高，在一般既有線上測量時，若沒有CPⅢ點，可以用既有線外移樁點作為約束點進行融合約束計算，其成果資料滿足鐵路既有線測量“既有鋼軌面高程檢測限差不應大于20mm”的要求。

3鐵路大修軌道數據測量

3.1項目簡介

（1）項目概況：該項目是成都鐵路局成都工務段年度大修任務，由中鐵二院測繪院、工務段聯合作業，采用移動式三維激光測量系統進行既有線現狀測量工作，取得了良好的效果。（2）項目地點：成都市青白江區、廣漢市、彭州市。（3）項目范圍：由青白江區至彭縣段約32km的既有線三維掃描生產。

3.2約束點布置

（1）全段主控點4個，所有約束點平面采用四等GPS靜態測量，高程采用四等水準測量，并盡量與成九線的平面高程控制點聯測。（2）在K0+000～K32+000段，沿線路兩側分別布置平面高程約束點;點間距離500m左右，一側編號為GP-*作為靶標約束點，另外一側編號為TP-*作為樁面約束點（不架設標靶）。（3）約束點盡量在橋涵帽石上標注（并刻+絲），也可采用木質方樁（中心釘鋼釘，方樁宜高出地面5cm，便于掃描）。（4）在布置約束點時確保掃描儀能夠清晰掃描到約束點，約束點周圍應用紅白油漆相間涂抹。

3.3數據采集

（1）K0+000～K32+000段，由測量人員進行中線里程測量（在鋼軌上標注）及軌面高程測量（左右軌分別測量），測量數據作為對比數據使用。

（2）從青白江車站，以列車為載體，將移動掃描設備固定在列車頭部，以30km/h的速度進行數據移動掃描采集。

3.4數據處理

3.4.1點云數據處理

1）航跡解算。掃描完成后，利用車載激光掃描儀上的GPS數據與同步的地面基站數據進行差分，解算出高精度的航跡文件。（2）設備自檢校。自檢校過程主要包括設備系統標定，內部設備精度檢校。3）激光雷達數據融合糾偏解算。完成以上工作后，即可進行數據解算，融合得到初步激光雷達數據。之后利用現場采集到的控制點進行點云高程改正，得到最終點云數據。

3.4.2約束點平面高程精度

采用約束點約束融合計算后，再次提取各個約束點的平面坐標及高程精度驗證報告。

3.4.3里程中心線的準確提取

確定起點里程K0+000的平面坐標，計算起點里程對于鐵路來說是最為重要的一個參數指標，后續所有的輸出成果均是基于此里程。需要通過軟件將車行軌跡準確快速的提取出來，并進行編輯和修正。

結論

在高速鐵路勘測設計施工中，采用基于軌道車平臺的三維激光掃描移動測量技術裝備和軟件處理系統，利用CPⅢ平面高程控制點作為約束點進行計算得出其平面絕對精度<1cm，其高程絕對精度<1cm，滿足高速鐵路規范要求。該技術是一種全新的測量技術和方法，在高速鐵路工程上應用將顯著提升我國高速鐵路建設及運營測量技術水平。

參考文獻：

[1] 林玉兵.三維激光雷達圖像在鐵路異物侵限檢測中的應用研究[D].北方工業大學，2018.

[2] 朱郭勤.三維激光掃描技術在鐵路運營維護及形變監測中的研究[J].工程建設與設計，2017（10）：216-217.

（作者單位：中鐵十九局集團第一工程有限公司）