移動三維激光掃描系統(tǒng)在鐵路限界測量中的應(yīng)用

杜兆宇

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600)

近年來，我國鐵路發(fā)展日新月異，針對鐵路運行出現(xiàn)的新問題，采用行之有效的新技術(shù)保證鐵路運輸安全，更好地為鐵路運輸服務(wù)成為實現(xiàn)鐵路可持續(xù)發(fā)展的重點[1]。

限界是指為了確保機車車輛在鐵路線路上運行的安全，防止機車車輛撞擊鄰近線路的建筑物和設(shè)備，而對機車車輛和接近線路的建筑物、設(shè)備所規(guī)定的不允許超越的輪廓尺寸線。鐵路限界包括機車車輛限界和建筑限界，其中建筑限界是為了保證列車運行安全，要求靠近鐵路線路修建的建筑物及設(shè)備，不得侵入規(guī)定的與線路中心線垂直斷面的輪廓尺寸線[2]。

目前廣泛運用的鐵路限界測量方法大體可以分為接觸式和非接觸式兩種。橫斷面法、綜合斷面法和軌跡法都屬于接觸式檢測，特點是需要人工操作，在對房屋、站臺、雨棚等建筑物或設(shè)備進行檢測時，主要依靠原始手工測量，工作量大、效率低下、可靠性低、準(zhǔn)確性低[3- 4]。非接觸式方法包括斷面攝像法和激光掃描法。基于斷面攝像法的限界檢測車自動化程度較高，但僅能對隧道進行檢測，對隧道外的通信線路、回流線和電力線等無法檢測，并受光線的干擾較大[5- 6]。激光掃描法作為鐵路限界測量的新方法，具有快速、精度高、無接觸的優(yōu)勢，近幾年也逐步應(yīng)用于鐵路限界測量中[7]。

1 研究區(qū)域及測量方法

1.1 研究區(qū)概況

柳南城際鐵路，又稱柳南客運專線，是廣西第一條城際高速鐵路，線路起自廣西柳州市，經(jīng)來賓市、賓陽縣，止于南寧市，全長225.6 km，設(shè)計時速250 km/h。柳南客運專線于2009年10月正式開工，2013年12月30日建成通車。本次限界測量范圍為K0+000～K110+000段，全長110 km，測量的限界對象為上下行線間距、橋梁偏心、隧道限界、接觸網(wǎng)線及接觸網(wǎng)桿限界等。

1.2 測量方法

移動三維激光掃描系統(tǒng)的基礎(chǔ)是移動三維激光掃描儀和數(shù)據(jù)處理軟件。其中，移動三維激光掃描儀是將三維激光掃描設(shè)備、衛(wèi)星定位模塊、慣性測量裝置、里程計、360°全景相機、總成控制模塊和高性能板卡計算機集成并封裝于機車的剛性平臺之上。在機車移動過程中，可快速獲取高精度定位定姿數(shù)據(jù)、高密度三維點云和高清連續(xù)全景影像數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)一的地理參考和攝影測量解析處理，實現(xiàn)無控制的空間地理信息采集與建庫。

利用移動車載掃描儀可以快速采集鐵路兩側(cè)幾十至幾百米范圍內(nèi)海量點云數(shù)據(jù)，其特點是無接觸、效率高、信息量豐富?；讷@取的激光點云數(shù)據(jù)提取線路中心線，以此線路中心線為基準(zhǔn)線，將車輛限界的輪廓線加載至激光點云中，分段統(tǒng)計侵線值，并備注侵線構(gòu)筑物屬性，如圖1所示。

2 基本步驟

2.1 系統(tǒng)檢校標(biāo)定

為了保證移動三維激光掃描系統(tǒng)長途運輸過程中的安全，在長途運輸前往往會將整個系統(tǒng)拆分裝箱，運輸?shù)浆F(xiàn)場時再將系統(tǒng)重新組裝。這樣會產(chǎn)生一個問題，即設(shè)備的原標(biāo)定參數(shù)和設(shè)備在平板車上安裝之后相對位置在重新組裝后已經(jīng)失效，需要重新進行系統(tǒng)檢校。

(1) 設(shè)備標(biāo)定參數(shù)檢校。將移動三維激光掃描系統(tǒng)重新組裝至剛性云臺上，并安裝到專用的越野車行李架上，系統(tǒng)檢校行駛路線如圖2所示。

沿著檢校場十字路口的兩條道路進行掃描，每條道路需要往返兩個方向。行駛過程中盡量保持等速行駛和直線行駛，如果轉(zhuǎn)彎，應(yīng)盡量緩和。使用最大掃描頻率及第二高的脈沖發(fā)射頻率。然后通過LMS進行系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)的計算，即可完成系統(tǒng)檢校。

(2) 設(shè)備固定至平板車后的標(biāo)定。移動三維激光掃描系統(tǒng)安裝至平板車上之后，需要對設(shè)備各個傳感器之間的相對位置進行測量，計算標(biāo)定參數(shù)，以保證系統(tǒng)采集三維點云的精度。自定義一個坐標(biāo)系，測量全站儀測量慣導(dǎo)中心、GNSS天線中心和DMI中心的坐標(biāo)，通過它們的相對坐標(biāo)進行標(biāo)定參數(shù)解算，傳感器相對位置的測量精度要求誤差在1 mm以內(nèi)。

2.2 點云數(shù)據(jù)采集

將線下CPI點(帶高程)作為GNSS地面基站控制點與移動三維掃描設(shè)備配合測量。本次鐵路測量線路較長，為保證全程GNSS信號穩(wěn)定性與連續(xù)性，沿線路每12 km左右布設(shè)一個GNSS地面基站。每次掃描前，GNSS地面基站都提前1 h開機，并與移動三維掃描系統(tǒng)的POS系統(tǒng)進行同步。在正式掃描開始前，需要對設(shè)備進行初始化，初始化時間為15 min。列車在行進過程中盡量保持勻速，列車行駛平穩(wěn)后，速度為50～80 km/h。

2.3 點云數(shù)據(jù)處理

(1) 軌跡線解算?；诘孛鍳NSS接收機數(shù)據(jù)，利用車載三維激光掃描儀自帶的軟件進行軌跡線的解算。

(2) LCP文件更新。LCP文件包括車載掃描儀兩個掃描頭及POS之間的相對位置關(guān)系參數(shù)，根據(jù)檢校場數(shù)據(jù)對參數(shù)進行解算，將解算的參數(shù)生成LCP文件。

(3) 點云數(shù)據(jù)糾正。基于LCP文件對掃描儀原始點云進行糾正、去噪，輸出最終需要的LAS格式的點云數(shù)據(jù)。

(4) 各特征數(shù)據(jù)提取。提前收集需要的工務(wù)段臺賬資料，包括左右線曲線要素表、橋梁表、隧道表、接觸網(wǎng)桿信息等。將LAS格式的軌道點云數(shù)據(jù)及軌跡線導(dǎo)入后處理軟件中，給定起始里程處的左右軌面初值和接觸網(wǎng)初值，可自動提取出軌道和接觸網(wǎng)模型。將接觸網(wǎng)桿信息及軌跡線導(dǎo)入軟件中，利用軟件的接觸網(wǎng)桿模型重建功能，手動提取各個接觸網(wǎng)桿的點云，如圖3所示。

2.4 限界分析

將LAS格式點云、接觸網(wǎng)線、接觸網(wǎng)桿導(dǎo)入后處理軟件中，進行路基、橋梁段，以及隧道內(nèi)接觸網(wǎng)線、接觸網(wǎng)桿的限界測量，如圖4、圖5所示。圖中頂部限界點至鐵路中線的垂直距離為接觸網(wǎng)線的限界，即導(dǎo)高限界，左側(cè)限界點至鐵路中線的水平距離為接觸網(wǎng)桿的限界，即水平限界。

橋梁偏心測量需將LAS格式點云、提取的軌道、接觸網(wǎng)線導(dǎo)入后處理軟件中，進行橋梁段左右擋砟墻的限界測量，左側(cè)限界點至鐵路中線的水平距離規(guī)定為C值，右側(cè)限界點至鐵路中線的水平距離為L值，則實測偏距按下式計算

(1)

2.5 測量結(jié)果檢核

為了分析車載三維激光掃描儀限界測量成果的精度，將本次接觸網(wǎng)線和接觸網(wǎng)桿限界測量結(jié)果與全站儀實測結(jié)果進行對比，對比情況見表1。從表1中對比情況可以看出，車載三維激光掃描儀限界測量結(jié)果與全站儀實測結(jié)果較差小于20 mm，說明本次限界測量結(jié)果精度能夠滿足鐵路部門使用的要求。

表1 車載三維激光掃描儀與全站儀測量檢核對比 mm

3 結(jié) 語

鐵路限界測量對于保障鐵路機車運輸安全十分重要。本文將移動三維激光掃描系統(tǒng)引入鐵路限界測量中，以柳南客專(K0+000～K110+000段)為例，詳細說明了限界測量的操作流程，并將接觸網(wǎng)線和接觸網(wǎng)桿限界測量結(jié)果與全站儀實測結(jié)果進行對比，其誤差范圍在20 mm內(nèi)，相關(guān)數(shù)據(jù)可為評估鐵路安全性提供數(shù)據(jù)支持。從本文實例中可看出移動三維激光掃描系統(tǒng)外業(yè)測量效率高，作業(yè)強度低，且精度可靠，系統(tǒng)軟件智能高效地進行點云數(shù)據(jù)處理，極大地提高了工作效率，可廣泛應(yīng)用于類似工程項目中。