淺談三維激光掃描技術在復雜艱險山區鐵路全生命周期建設中的應用

周世明

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

某復雜艱難山區鐵路整體穿越了我國最長、最寬、最典型的南北向山系橫斷山脈，高烈度地震、高地應力、高地溫等工程病害頻發，地質條件極其復雜，工程建設頗具挑戰，地質災害前所未有[1]。在本項目的外業勘察過程中，很多地方測繪人員難以到達，部分隧道洞口存在無法近距離接觸的高陡邊坡危巖體，常規測量設備和測量手段不能滿足測量要求。為解決該鐵路前期勘測設計、中期施工建設以及后期運營維護的測量難題以及目前鐵路工程測量規范中尚未明確規定三維激光掃描標準差的問題，本文通過對工程案例進行分析總結，提出了三維激光掃描標準差，并對三維激光掃描技術在復雜艱險山區鐵路中的非接觸式測量方法進行了探討，結論可為該鐵路全生命周期建設提供技術支撐。

1 三維激光掃描技術

1.1 三維激光掃描儀系統

三維激光掃描儀主要通過儀器自定義的掃描坐標系統、工程坐標系統、大地坐標系統、相機坐標系統完成掃描點三維坐標的相互轉換，得到點云空間數據。點云空間數據主要包含三維坐標、空間屬性等掃描點的集合，數據處理主要工作包括數據配準、數據拼接、數據去噪、雜波過濾、數據糾偏、數據分割以及數據分析等[2]。

三維激光掃描系統一般由三維激光掃描儀、數碼相機、電源以及其他附屬設備構成，并配備與掃描儀相配套的數據后處理軟件。

1.2 三維激光掃描系統的特點

三維激光掃描系統具有自動化程度高、受天氣影響小、數據生產周期短、精度高等特點，是目前最先進的能實時進行地形表面數據獲取、地質災害監測、鐵路工程構筑物的變形監測、隧道凈空斷面檢測等三維空間信息和影像獲取的現代測量技術。

1.3 三維激光掃描技術應用前景

鐵路工程三維信息對鐵路既有線改造和鐵路信息化管理非常重要，也是鐵路GIS系統建立的基礎。采用傳統的測量手段獲取軌道及周圍環境的三維信息數據，在密度和效率上均無法滿足鐵路施工、運營維護及鐵路GIS系統建設的需求。車載三維掃描測量系統特別適合鐵路工程三維數據的快速采集，可直接用于鐵路三維地形數據的采集與更新，在鐵路既有線改造、運營維護和鐵路GIS系統建設中發揮了重要作用。三維激光掃描在進行精準測量的同時，可獲得高分辨率的三維可視化鐵路數據，可用于建立數字鐵路智能信息化管理系統。同時，數字鐵路智能化、信息化將為鐵路的施工及維護管理帶來科學決策，有助于合理分配資源，優化施工及運營維護計劃，降低管理成本，增強整個企業的綜合競爭力，從而帶來良好的經濟效益和社會效益[3]。

2 三維激光掃描測量技術在復雜艱險山區鐵路全生命周期建設中的應用

三維激光掃描技術是近年來國際上高效率空間數據獲取方面的研究熱點，它是一種通過位置、距離、角度、反射強度等觀測數據直接獲取對象表面點三維坐標，形成高精度點云數據，實現地表信息實時提取和準確重建三維場景的觀測技術，同時還可通過掃描技術獲取的高精度點云數據在地形測量、施工檢測、運營維護測量階段為鐵路信息化管理提供基礎數據。因此，探討三維激光掃描技術在復雜艱險山區鐵路勘測設計、施工、運營全生命周期中的應用十分必要[4]。

2.1 勘察設計階段的應用

復雜艱險山區地形險峻，對鐵路不良地質測繪區域必須進行1∶500地形測量。傳統地形測繪技術需人工“跑點”，危險系數高，工作效率低，而三維激光掃描是一種非接觸性測繪技術，能夠完全避免地形因素對測繪工作的影響。尤其是在一些危險區域(如險峻的高山、湍急的河流以及懸崖峭壁等)的測繪過程中，三維激光掃描技術能夠在不接觸測繪對象的情況下，實現對測繪對象的全面掃描，大大降低了危險區域地形測繪的難度和風險。在某車站及沿線不良地質區域1∶500的地形測量中，采用三維激光掃描并三維建模進行地質災害評價，取得了良好的經濟效益[5]。

2.2 施工建設階段的應用

傳統測量以人工攜帶測量設備到施工現場或運營線路上進行測量為主，對施工及運營干擾大，安全隱患大，效率低，同時受制于測量人員的技術水平，測量結果存在差、錯、漏現象，核查成本高，影響鐵路施工檢測、既有線運營維護的精準性。因此探討三維激光掃描測量技術標準差及測量技術方案很有必要。

2.2.1三維激光掃描標準差

目前，在鐵路施工及運營維護測量中，對三維激光掃描儀測量標準差的技術標準還沒有相關規定，中鐵二院工程集團有限責任公司完成的《基于慣導三維激光掃描移動測量系統在鐵路既有線測量中的應用研究》科研項目，創建了在動態環境下將線路控制網CPⅡ、軌道控制網CPⅢ引入POS測量系統的聯合解算方法，可實現鐵路軌道快速、自動、高精度定位定姿測量，提高弱GNSS信號甚至無GNSS情況下絕對測量的精度。渝黔高速鐵路婁山關隧道施工、貴陽地鐵運營檢測等項目的工程實踐表明，該測量技術可作為高原、高寒、高海撥、復雜地質等條件下的主要檢測測量技術，因此制定其主要技術標準具有十分重要的意義[6]。渝黔高速鐵路采用移動三維掃描的精度驗證報告如表1所示。

根據表1數據分析可知，在測段范圍內，基于既有線約束點精度改善技術，在CPⅡ控制點約束下 (CPII點間距400～600 m)，平面精度優于 2 cm，高程精度優于 1 cm；在CPⅢ控制點約束下(CPⅢ點間距60～150 m)，平面精度優于 1 cm，高程精度優于1 cm，完全滿足鐵路工程相關測量規范的技術要求[7]。三維激光掃描按照設置方式可分為固定式和移動式，三維激光掃描儀測量標準差限差如表2所示。

表2 三維激光掃描儀測量標準差限差

2.2.2路基工程及結構物施工數據檢測

路基工程及結構物施工數據檢測流程如下：

(1)在路基本體工程成型后，可采用汽車作為載體，將掃描設備固定在汽車上，以30 km/h行車速度對全線進行移動掃描，路基移動掃描測量示意圖如圖1所示。

圖1 路基移動掃描測量示意圖

(2)根據掃描測量獲取的高精度點云數據，提取施工路基、橋梁及隧道等的實時施工數據，檢測路肩施工高程、橋面施工高程、隧道凈空限界等施工數據是否滿足設計要求。

(3)根據三維激光點云數據和高清晰360°全景影像數據，提取施工界面周邊環境、路基面、結構物的三維坐標及全景影像進行施工管理及施工質量評價。

2.2.3隧道變形監測

在隧道施工過程中，隨著施工界面對周圍環境的改變，各種工程構筑物或多或少都有一定的變形，為評價其變形量是否在設計允許范圍內，需定期對其進行施工變形監測。

山區鐵路隧道埋置較深，施工中隨著隧道周圍巖體應力的釋放，易發生巖爆。因此，施工階段對隧道工程的變形監測尤為重要，且可以預見，在復雜艱險山區鐵路隧道施工中，因地質應力釋放發生隧道變形的幾率更大，其變形監測周期長，監測頻率高，只有采用三維激光掃描技術，才能滿足監測要求[8]。

2.2.4竣工驗收

鐵路軌道鋪設及控制網CPⅢ建立后，可采用以軌道車為載體的三維激光移動掃描技術，以 4～6 km/h行車速度對全線進行移動掃描，建立鐵路竣工后的基礎數據庫，作為運營期變形監測評價、運營安全評價、信息化管理的初始點云數據庫[9]。

(1)數據采集

①利用軌道兩側沿線CPⅢ控制網進行靶標布設，按照60 m左右間隔在鐵路兩側布設成對靶標，采用移動掃描方式進行數據采集，靶標可直接放置于控制點上，并采用CPⅢ同坐標及高程數據。

②在點云中提取靶標控制點，通過擬合確定其中心三維坐標，并由此引入測量CPⅢ控制網三維坐標進行平差融合計算。

(2)質量評價

根據全線高精度點云數據庫，結合施工圖設計資料，提取全線設計中線、隧道凈空限界斷面等并與設計數據對比，對隧道工程、橋涵工程、路基工程、運營設施等進行施工質量評價。

2.3 運營維護階段的應用

2.3.1三維激光掃描數據采集

在鐵路運營階段測量以移動測量技術方式為主，其主要優勢是能快速、高密度、高精度地獲取三維坐標數據。鐵路既有線掃描測量主要有兩種移動掃描測量方式。

(1)對于以軌道平板車為載體的移動測量方案，平面坐標變換需沿鐵路線每4 km設置1個控制點，高程需沿鐵路線每2 km設置1個控制點。

(2)對于以軌道小車為載體的移動測量方案，平面和高程都通過沿線CPⅢ控制網進行靶標布設。

(3)每個控制點需同時具有水準高程、WGS84坐標(或CGCS2000坐標)和獨立工程坐標[10]。

2.3.2軌道幾何參數提取[11]

從原始掃描激光點云中分割軌道三維激光點云，根據三維激光掃描系統的軌跡數據，確定軌道概略中心線，并以此中心線進行數據處理。

(1)利用三維激光掃描系統融合生成的POS位置姿態信息數據，采用軌道動態測量結合設備自身標定好的結構信息參數，通過特殊算法自動分類出軌道面點云。

(2)利用分類的軌面激光點云，POS姿態信息結合設備標定參數，構建任意里程處橫斷面軌面中心坐標系，將該軌面坐標系下軌頂處點云按平面3 cm、高程3 cm空間進行濾波處理，最終得到任意斷面軌頂點數據。

(3)利用指定間距的軌頂點數據進行擬合，形成最終的精確軌道幾何參數。

2.3.3特征點提取

(1)點狀設施提取

基于大數據引擎技術，點云數據根據顏色、強度及幾何形狀信息判識出鐵路上的點狀設施，并按照要求采集其關鍵點的三維坐標。

(2)接觸網及跨線設施自動分類提取

針對鐵路沿線十分規律的既有線信息(如接觸網及跨線物數據)，利用激光點云自動分類，并在此基礎上構建獨立軌面坐標系，實現接觸網或跨線物的里程、高程分類統計[12]。

(3)隧道斷面線提取

利用輸出的POS中心線信息，按指定里程提取隧道斷面數據，并輸出二維斷面圖[13]。

2.3.4鐵路既有線設備管理調查[14]

(1)采用三維激光移動掃描可快速獲取鋼軌高密度、高精度的三維點云坐標數據和連續的360°全景影像數據。

(2)分別將軌跡姿態數據與激光掃描數據、全景影像數據進行地理參考處理可得到鐵路線路及沿線設施的三維激光點云數據。

(3)將帶坐標的三維激光點云數據和帶屬性的360°全景影像數據相結合，充分發揮兩種數據的特點和優勢，可實現鐵路既有線線路及設施的調查與測繪。

2.3.5自動化檢測

復雜艱險山區鐵路以隧道工程為主，部分隧道屬于高地熱、軟巖大變形隧道，在運營期需對隧道開展定期巡查與風險識別，快速、高效、精確地發現隧道結構的變形和病害，并便捷、準確地處理海量檢測數據，便于進行安全評估和預報預警。同時，還需定期對隧道做“三維CT掃描”體檢，及時發現結構變形和病害，以便及時進行風險控制，保障隧道結構安全[15]。如某鐵路線路所經地區大部分屬于高寒、缺氧地區，不適合人類長期居住及工作，運營維護難度極大，要解決上述問題，采用非接觸式自動化檢測技術勢在必行，采用三維激光掃描技術結合GNSS連續運行參考站(CORS)網絡技術可實現自動化檢測。

(1)基準站

結合鐵路工程及地質條件建立鐵路GNSS連續運行參考站(CORS)網絡和精密高程基準面模型，以參考站作為基準，動態維持與提供高精度位置和高程的全天侯空間位置服務[16]，參考站與軌檢小車的工作示意如圖2所示。

圖2 參考站與軌檢小車工作示意圖

(2)掃描測量

根據運營維護需求，對鐵路開展分段掃描測量。移動檢測速度為4～6 km/h，以100萬點/s的高速采集覆蓋隧道內壁的掃描點云信息，一次掃描可獲取結構變形、影像資料、凈空斷面等成果。

(3)檢測評價

①每次運營維護掃描點云數據，與竣工階段建立的“初始點云數據庫”資料進行對比，評價隧道的變形量和變形趨勢。

②利用高精度點云數據，提取軌道幾何參數、三角坑、超高、欠超高等數據，評價軌道的平順性。

③利用高精度點云數據，提取軌道周邊管理設施，評價安全管理措施是否滿足運營要求。

3 結論

復雜艱險山區鐵路施工和運營難度極大，為應對復雜自然災害對鐵路運營的影響，提前做好測繪新技術的應用研究很有必要。本文對三維激光掃描技術在鐵路勘測設計、施工及運營維護階段的應用進行了探討，研究成果可為復雜艱險山區鐵路設計施工及運營維護提供技術支撐。

(1)本文提出的三維激光掃描儀測量標準差限差值可為鐵路工程測量規范的修編提供技術支持。

(2)三維激光掃描技術形成的非接觸快速測量技術，能解決復雜艱險山區鐵路勘測設計階段復雜地形區域的精細化測量，可應用于鐵路的施工檢測和運營維護檢測等。

(3)川藏鐵路GNSS連續運行參考站(CORS)網絡拓展形成的三維激光移動掃描網絡技術，可作為鐵路運營階段的自動化檢測技術，對提高效率、保證成果質量及安全生產具有重要意義。