車載激光雷達測量系統

激光掃描技術用于鐵路檢測的歷史已經很長。從宏觀的地形地貌測量到毫米級精度的建模，使用者可根據不同的應用需求，利用不同的激光掃描系統獲得最佳的檢測數據。不同激光掃描系統所采集的數據集還可以相互補充，具有巨大的潛力。

自2018年以來，法國的3列Vigirail試驗車，除安裝了已投入使用的各種測量設備外，還配備了一套激光掃描系統，此系統是奧地利Laser Measurement Systems GmbH公司生產的VMX-RAIL系統。這是世界上第一個包含3臺掃描儀的鐵路用車載激光雷達（LiDAR）測量系統，安裝于車頂，用于檢測軌道環境。

1 LiDAR 測量系統

LiDAR測量系統具有特殊的技術優勢，如數據采集速度快、受環境光線條件影響小，以及具有連續跟蹤多個目標的能力。這些特性保證了LiDAR測量系統在執行各種鐵路領域測量任務時的有效性。LiDAR測量系統可分為機載激光掃描系統（ALS，其中包括無人機激光掃描系統ULS）、地面激光掃描系統（TLS）和車載激光掃描系統（MLS）3類。使用者可根據所涉及的任務選擇上述系統采集數據（圖1）。

1.1 ALS系統

ALS系統通常用于線路規劃時的地形測量，此時一般使用安裝在大型飛機上的大型ALS系統。該系統可以在使用植被濾鏡后，從飛機在高空飛行時所采集的3D點云中快速生成數字地形模型（Digital Terrain Model，DTM）。

此外，ALS系統也可以安裝在直升機中或以微型系統的方式集成到無人機上，從而實現在較低飛行高度上的應用。為了保障直升機和無人機的安全運行，對于大型ALS系統“縮小版”的性能要求相當高，有嚴格的質量和外形限制，必須在縮小組件（如LiDAR傳感器、慣性測量單元、攝像機系統）體積的同時，確保組件的高質量及整個系統的穩定可靠同步，以保證數據精度不受影響。對于一般飛機難以進入的區域以及慢速飛行的特殊情況，通常使用安裝ALS系統的無人直升機。由于其各掃描線之間的距離非常小，生成的3D點云中的點密度非常高，因此它除了可用于采集鐵路基礎設施數據之外，還可以記錄環境地形，以評估環境因素（例如洪水、懸空的脆性巖石或滑坡）的損害程度或潛在風險，確保鐵路運營安全。固定翼無人機飛行速度快，而且可以長距離飛行，因此特別適用于線路監測。

1.2 TLS 系統

TLS系統用于對復雜環境進行高精度測量。TLS設備的優點在于可以測量內部空間、屋頂設備以及地下空間（圖2）。根據技術規范，當測量精度要求達到毫米級高標準時，應選擇TLS系統。理想情況下，應將需要特別注意和細節級別很高的TLS數據歸入高級別的信息數據檔案中。使用者可以通過對TLS系統所采集的數據進行統一管理，全面了解鐵路線網的當前狀態;還可以通過定期測量和數據補充，監測空間結構隨時間產生的變化。

1.3 MLS 系統

測量整個線路網絡最直接的方式還是應用MLS系統。MLS系統的數據質量主要取決于激光掃描儀的精度、脈沖重復頻率、校準狀況，以及MLS系統的系統架構。系統架構決定了MLS系統是否具有抗振動影響的能力，若系統架構合理，則即使在列車強烈振動的情況下，系統的集成傳感器也可以實現完美同步。此外，各個掃描儀的脈沖重復頻率越高，掃描線內的點間距就越小，如此便能精確地測量諸如軌頭和架空線之類的細長結構。除脈沖重復頻率之外，掃描頻率也是一個決定性參數，因為每秒種的掃描線數量越多，列車進行測量時可選的行駛速度就越高，且不會降低掃描線密度。

2 VMX-RAIL系統

RIEGL公司從事MLS系統開發和研究已經多年。VMX-RAIL是其專門為長期使用而開發的最新鐵路用MLS系統。

VMX-RAIL采取緊湊設計，因此可根據需要，通過特殊設計的安裝裝置（帶減振器）集成在不同型號的試驗車上，靈活地適應各種情況。VMX-RAIL的探頭安裝在車頂（圖3），原因在于探頭的安裝高度決定其視野和激光束的測量角度。探頭滿足有關材料負載和環境影響耐受性的最高要求：①傾斜弧形設計可滿足尺寸和強度方面的要求，并確保傳感器具有最佳的方向;②外殼為粉末涂層的單模鑄件，耐受氣候影響。探頭中集成了眾多高靈敏度傳感器組件，如激光掃描儀、慣性測量系統（慣性導航系統INS/全球導航衛星系統GNSS）和高分辨率攝相機系統。為了便于維修，探頭采用模塊化設計，可以現場更換不同的組件，而無須拆卸整個系統。此外，激光掃描儀、INS/GNSS系統以及同步電子設備都安裝在特殊的防護罩中，如果需要，可以將防護罩單獨拆下。探頭中安裝了3個360°全覆蓋的高精度激光掃描儀，其安裝方向不同，安裝角度有一定的偏斜。這種設計拓寬了測量系統的視野，減小了掃描陰影區域。此外，3個掃描儀的檢測范圍有很大程度的重疊，如此不僅增加了冗余度，提高了檢測的可靠性，而且還生成了連續交叉的鐵路路基掃描圖案，有利于精確提取檢測對象。VMX-RAIL的控制組件（PC、數據存儲器、電源）位于車內操作員工作站中，并通過電纜連接至探頭。

VMX-RAIL的主要任務是沿軌道進行建筑接近限界監測。它實現了LiDAR信號的數字化（采用基于脈沖傳播時間方法的RIEGL“智能波形”技術），使每個激光束可檢測多個目標，從而實現測量點的最佳分布以及輸出經過校準的幅度和反射率值，如此便能得出有關所測對象材質的結論。因此，該系統特別適合用于植被檢測。使用者可根據VMX-RAIL的植被檢測結果以及當地的特定需求，規劃安全和維護措施，以節省人力和物力。例如，去除阻礙鐵路交通的植被，在鐵路沿線施用除草劑或者修復鐵路路堤（LiDAR可以檢測低矮植被下的鐵路路堤輪廓）。

VMX-RAIL系統能對基礎設施進行多角度測量，有利于基礎設施的狀態檢測、規劃或更新。此外，該系統的數據還能與ULS或TLS采集的數據集融合，達到相互補充的目的。

3 VMX-RAIL的數字化 3D 點云

基于數字化3D點云或數字化3D模型的應用程序數量正穩步增加，其應用范圍從最初的建筑接近限界檢測和資產管理，擴展到如今的采集用于基礎設施規劃及維護的高精度基礎數據。在這種情況下，許多公司都制定了數字化戰略，其中，數字化建筑數據模型——即眾所周知的建筑信息模型（BIM）構成了過程鏈的核心組成部分。在不同建設階段精確測量的3D數據可在規劃開始時用于基礎設施建模，在建設結束時記錄并存儲已建成基礎設施的相關數據信息。

為了滿足上述數字化需求，VMX-RAIL中設計了3個高精度激光掃描儀的組合。這是世界上首次將3個激光掃描儀集成在1個系統中，其目的在于形成一種獨特的、可產生交叉掃描線的密集掃描模式。掃描儀的特殊布置和對齊方式可以最大限度地減少掃描陰影，并記錄結構良好的點云數據。因此，VMX-RAIL的點云數據為下一步的對象提取和3D建模奠定了良好基礎。圖4顯示了VMX-RAIL掃描線在不同方向平面上的交叉。表1列出了與掃描儀相關的VMX-RAIL性能參數。

以下對VMX-RAIL點云的分析基于2019年1月從法國國家鐵路公司（SNCF）Réseau線路上采集的數據集。VMX-RAIL被集成到1輛Vigirail試驗車中，用于監測法國鐵路線網。其組件——RIEGL-VUX-1HA掃描儀具有脈沖重復頻率高、測量精度高的特點，能夠以高分辨率采集鐵路基礎設施數據。圖5顯示了在一次行駛過程中所采集的鐵路基礎設施圖像。由圖5可知，由于激光掃描儀的優化設計和排列，掃描視野得以拓寬（甚至可以采集鄰近軌道的圖像），掃描陰影達到了最小化。此外，該系統還能精確檢測到諸如架空導線及其支架之類的細長結構，從而可以進行各種評估和分析。

Vigirail試驗車通常以80 km/h的速度行駛，在某些路段會以極低的速度（約20 km/h）行駛。圖6顯示了VMX-RAIL在不同行駛速度下采集的軌道圖像。VMX-RAIL安裝在軌道上方約4 m處，每秒可進行300萬次掃描。列車行駛速度為20 km/h時，掃描點密度約為每平方米21 000點;列車行駛速度80 km/h時，約為每平方米5 300點。

對軌頭的精確測量是可靠地計算軌道軸線的前提。圖7顯示了對軌頭信息的提取過程。上圖和中圖為按高度著色的點云。下面2圖是對3個掃描儀測量精度的分析，每個激光掃描儀的點云分別用不同的顏色標示，紅色為掃描儀1，藍色為掃描儀2，綠色為掃描儀3。由于3個掃描儀的掃描輪廓有交叉和重疊，因此即使列車在80 km/h及以上的高速狀態下行駛，該系統也可以實現很好的軌跡掃描。

4 結語

車載激光雷達測量系統作為一種先進的數據獲取手段已受到關注，其數據能夠更加直觀、快速地展現和分析鐵路線路狀況，是鐵路監測的有效手段。隨著該技術的發展，在不久的將來其必將得到大力推廣和普遍應用。

參考文獻

[1]Harald Teufelsbauer， Ursula Riegl. Mobile LiDAR-Systeme im Vergleich[J]. Der Eisenbahn Ingenieur，2019（9）：26-31.

蘇靖棋 編譯

收稿日期 2019-10-30