車載激光雷達測量技術在鐵路既有線復測中的應用

劉長瑞

（甘肅鐵道綜合工程勘察院有限公司，蘭州730000）

1 引言

傳統(tǒng)的既有線測量方法主要依靠人工上道測量方法，人工上道復測存在較大的安全隱患，且工序多、測量效率低。在這種情況下，進行技術性變革已勢在必行。基于列車平臺的車載激光掃描系統(tǒng)進行外業(yè)測量數據獲取，可以快速獲取鐵路周圍地形的空間幾何信息，并很好地補充航空攝影測量經常遇到的復雜地形內的遮擋與盲區(qū)問題，為既有鐵路測量提供高質量的地理空間數據[1]。

2 車載移動激光雷達測量系介紹

車載移動激光雷達測量系統(tǒng)集成GNSS、IMU慣性導航單元、三維激光掃描、影像處理、攝影測量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(wèi)星及慣性定位確定影像的位置姿態(tài)等測量參數，在點云上實現測量，完成測繪任務[2]。本文以Leica Pegasus:Two移動激光掃描系統(tǒng)在酒額鐵路既有線改造工程中的應用為例進行介紹。

3 前期準備工作

3.1 基站準備

在地面布設GPS基站，并與機載POS系統(tǒng)內置GPS接收機同步進行GPS觀測，以實現動態(tài)DGPS相位差分測量定位。鐵路沿線每20km架設一個GNSS靜態(tài)基站或CORS參考站。

3.2 控制點、檢查點、標靶布設

控制點：在開放天空環(huán)境下，Leica Pegasus:Two的絕對精度達到平面2cm，高程2cm，無須控制點糾正即可滿足鐵路測量的要求。在天空遮擋嚴重的情況下（兩側樹木很高、山體遮擋等），可布置少量控制點，每隔0.5km布設一個控制點。

檢查點：通過RTK+水準儀的方式每隔一定距離測一個點（平面+高程），用于精度檢查。檢查點需做標記，以便在移動激光掃描系統(tǒng)快速駛過的同時，能夠掃描、識別檢查點中心。

檢查點或控制點標靶：檢查點或控制點的標記可做白色十字對角噴漆，每個白色正方形噴漆邊長為30cm×30cm，這樣能夠保證速度在40～60km/h的情況下，仍能通過軟件擬合標靶中心。標志測量方式采用GPS快速靜態(tài)測量方法施測[3]。

3.3 設備安裝準備

Leica Pegasus:Two移動激光掃描系統(tǒng)安裝簡單方便，可安裝到帶有平臺的任何列車上，將設備抬至車頂，并上緊8個螺栓，設備就穩(wěn)固在車輛上，10min內即可完成安裝。

4 外業(yè)采集階段

外業(yè)采集步驟包括：（1）初始化自檢校：在開放天空環(huán)境，GNSS靜態(tài)觀測15min，IMU動態(tài)初始化3～5min（左轉、右轉、加速、減速）；（2）開始掃描：操作采集軟件，開始測量；測量時，保持勻速，遇到橋下、隧道時，快速通過，通過后找到開放天空環(huán)境，靜止約10s，使GNSS重新鎖定。測量過程可隨時停車，但不可倒行；（3）結束自檢校：行駛至開放天空環(huán)境，GNSS靜態(tài)觀測5min，無須再做動態(tài)初始化；（4）數據下載：在現場或將設備運回駐地，用移動設備拷貝數據即可。

5 內業(yè)處理流程

外業(yè)數據采集完成后，使用配套后處理軟件即可完成數據的處理，數據處理人工干預少，自動化程度高，主要步驟如下：（1）首先用Inertial Explorer軟件后差分方式解算軌跡；（2）用徠卡Infinity軟件設置好本地坐標，通過參數設定或控制點對計算的方式；（3）用徠卡Pegasus Manager軟件進行自動掛機處理數據，自動生成彩色三維LAS點云+全景照片+內外方位元素（見圖1）；（4）在ArcGIS里，用Map Factory進行控制點平差（如果需要）；（5）在ArcGIS里，用Map Factory提取地物特征，生成平面圖、斷面等；（6）或在其他客戶已有的徠卡或第三方軟件中制作專業(yè)成果，如里程丈量、曲線要素查定、坡度計算、軌道平順性檢測、鐵路數據庫管理幾方面。

圖1 RGB點云成果

6 數據質量分析

點云數據可通過檢查點或已有地形圖的方式來驗證點位精度，在徠卡Map Factory for ArcGIS或Terrasolid軟件中可實現。

將檢查點或地形圖以txt或dwg格式導入ArcGIS軟件中，在Map Factory工具下，選取點云中的檢查點，逐點對比X、Y、Z坐標，在屬性表中可查看坐標誤差，并導出Excel格式。

7 車載激光雷達技術獲取鐵路既有線信息

7.1 提取線路里程

傳統(tǒng)測量方法中，里程丈量采用拉百尺標的方式進行，是其他測量工作的先導。基于車載激光雷達測量技術的既有線測量可無須進行里程丈量，因為通過激光掃描可直接獲取全線軌道信息，在提取出軌道中心線并確定里程起點后，可直接推算里程（見圖2）。

7.2 線路及平面高程測量

通過車載激光雷達點云數據提取出的軌道中心線完全可替代傳統(tǒng)基于全站儀和水準儀方法測量的軌道平面和高程數據。基于車載激光雷達軌道中心線進行線形擬合后，可高精度、高密度地恢復軌道線形，為后續(xù)分析、計算及填寫復測等奠定基礎（見圖3）。

圖2跟蹤軌面線形成粗略軌面線

圖3精確軌面線提取

7.3 構筑物測量

線路上的橋梁、涵洞等構筑物均應在復測中進行測量，基于車載激光雷達數據，可直觀地分辯橋梁等構筑物，從激光雷達數據中提取相關要素。對于涵洞、站房等構筑物，個別激光雷達掃不到的地方，采用背包測量方法進行補充。

7.4 既有鐵路橫斷面測繪

傳統(tǒng)的既有鐵路橫斷面主要依靠人工方式進行測量，這種測量方法對既有線干擾大，作業(yè)危險系數高。采用車載激光雷達技術獲取到既有線數據后，即可利用點云數據生產橫斷面。

8 精度質量檢核分析

車載雷達外業(yè)測量和數據處理過程中，需要從多方面控制數據質量，主要包括：在GPS動態(tài)差分解算中，應嚴格解算質量檢查，通過雙傳感器激光點云的匹配分析慣性導航系統(tǒng)（POS）軌跡線的定位、定姿誤差，進行數據精度的評價分析；為保證既有線復測成果正確，滿足設計要求及相關規(guī)范要求。本次全線復測采用車載移動測量系統(tǒng)進行復測，對上元站、航天城站選取10km段落，進行人工復測、車載移動測量系統(tǒng)、天寶手推式Trimble GEDO IMS+SCAN方法，3種方法進行比對，為了驗證車載激光雷達數據生產斷面的精度，在現場先取部分段落人工實測橫斷面，將實測斷面與激光雷達生產斷面進行對比分析，有效檢核既有線復測成果是否滿足規(guī)范及各專業(yè)設計要求，對比成果，人工復測的數據與掃描的數據較差平面X最大0.031m，Y最大為-0.029m，高程最大為-0.018m，基于車載激光雷達數據快速生成滿足鐵路設計各專業(yè)的高精度既有線資料，整體精度平面精度達到0.05m，高程精度達到0.03m，滿足鐵路設計要求。

9 車載激光雷達技術的優(yōu)勢

9.1 絕對精度高，需要控制點數量少，節(jié)省人工布點工作量和時間成本

在開放天空環(huán)境下，徠卡Pegasus:Two的絕對精度達到平面2cm，高程2cm，無須控制點糾正即可滿足既有線鐵路復測要求。即使在天空遮擋嚴重情況下（兩側樹木很高、山體遮擋等），可布置少量控制點，比如，每隔0.5km布設1個控制點，僅需要少量控制點就能達到鐵路測量要求，能夠減少外業(yè)布點的工作量和時間，減少需要的工作量和時間成本，提高效率。

9.2 可擬合標靶中心，無須掃描到中心點，提高采集車輛行駛速度

徠卡在AutoCAD和ArcGIS平臺的插件Map Factory可以實現擬合十字標靶中心的功能。通過分別選取橫、豎2條直線，軟件可自動擬合十字中心。這樣不僅比人工選點更準確，而且能夠避免因必須掃描到中心而刻意降低行駛速度的做法，能夠大大提高外業(yè)采集效率，采集速度可達60～80km/h，滿足鐵路最低限速的同時，還能縮短作業(yè)時間，提高安全性。

9.3 RGB彩色點云質量高，準確還原現場，提高繪圖效率

徠卡Pegasus:Two具有2個360°掃描儀，每個掃描儀能夠獲取1.0×106點/s，掃描頻率達到200Hz，總共能獲取2.0×106點/s的高點密度三維點云。獲取的三維點云可自動根據照片著色，生成RGB真彩色點云，憑借超高點密度和掃描頻率，使得點云栩栩如生，準確還原現場環(huán)境（見圖4），無須頻繁在點云和照片之切換，提高繪圖效率。

圖4 RGB彩色點云準確還原現場環(huán)境

9.4 數據全自動掛機處理，無須人工干預，節(jié)省內業(yè)處理工作量

徠卡Pegasus Manager能夠實現將原始點云、影像，通過全自動掛機處理，生成具有本地坐標的、彩色三維LAS點云以及全景照片。采集與處理時間比約為1∶3，可大大縮短處理時間。

只需要提前定義好設置參數，整個掛機過程無須人工干預，計算機自動完成，這樣不僅能夠節(jié)省內業(yè)處理的人工量，還能提高晚上休息時間的利用率，節(jié)省時間。

9.5 技術效益較高

車載激光雷達系統(tǒng)是將三維激光掃描系統(tǒng)（包括激光掃描儀、數碼影像傳感器以及GPS_IMU系統(tǒng)）整體加裝在交通運輸平臺上進行激光雷達掃描作業(yè)的主動式動態(tài)測量系統(tǒng)，其目的就是為了能在更長，更遠的范圍內獲取測區(qū)點云，建立測區(qū)DSM以及DTM模型。從作業(yè)方式上看，車載激光雷達系統(tǒng)可以安裝于鐵路通勤車或軌檢車（時速較慢）的車廂尾端進行掃描作業(yè)，其成果可以應用于鐵路復測，而且具有以下幾個方面的優(yōu)勢：

1）作業(yè)員不上道作業(yè)，安全系數高。設備安裝完成后，作業(yè)員只需在列車上對系統(tǒng)控制終端進行操作，區(qū)間內作業(yè)員只需完成基站的架設以及布標的作業(yè)，無須上道作業(yè)，比之傳統(tǒng)作業(yè)方法安全性大大提高，這樣的優(yōu)勢隨著列車時速的不斷提速顯得更加重要。

2）作業(yè)時間段不受“天窗時間”限制。傳統(tǒng)的作業(yè)方法作業(yè)員因安全需要，只能在夜間的“天窗時間”內作業(yè)，而車載的方法在作業(yè)時間段的選擇上顯然不受此局限。

3）外業(yè)工作量大大減少，整體作業(yè)效率高。車載激光雷達系統(tǒng)的作業(yè)只需在測區(qū)內完成基礎控制測量，數碼影像成果可真實反映現場情況，激光點云可實測軌道三維位置，這將使復測的外業(yè)工作量大大減少，整體作業(yè)效率大大提高。

4）工務設備調查可靠度高，有可查依據。數碼影像成果真實記錄現場鐵路狀況以及公務設備情況，使得復測諸表以及車站諸表的制定“有據可查”。調查成果更加可靠。