移動三維激光掃描在鐵路既有線復測中的應用

鄒文靜

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

1 移動三維激光掃描測量系統

1.1 技術特點

移動三維激光掃描系統是一種多傳感器技術集成的系統，主要包括三維激光掃描技術、GNSS/IMU組合導航(POS)定位定姿技術[1]，輔以軌道小車為載體，應用于鐵路既有線測量。隨著科技的發展，激光掃描儀的掃描頻率和測距精度提高，POS系統定位定姿更加準確，為既有鐵路數字化三維實景復制的實現提供了支撐。

以本次研究項目所用設備為例，三維激光掃描參數如表1所示，IMU參數精度如表2所示：

三維激光掃描儀主要參數 表1

IMU主要性能參數 表2

圖1為移動三維激光掃描系統，其主要特點包括：

圖1 移動三維激光掃描系統

(1)通過設置三維激光掃描頻率調整點密度，使離散激光點呈現出連續表達的效果；

(2)高精度POS系統，提供了激光發射時刻準確的空間三維坐標和角度[2]，決定了三維激光點云數據的空間三維坐標精度；

(3)依據主動、被動和授時三種傳感器同步控制方法，統一時空基準[3]，實現多源數據融合。

(4)移動測量相較于常規走-停的測量方式，在既有線復測時用較少上道人員充分利用了天窗時間，獲得的數字化實景三維數據可在處理后供內業交互使用，提取更多的既有線空間和屬性信息，起到了提高作業效率，減少人為干涉因素，滿足既有線復測時測量人員、設備與運營對安全的需求。

1.2 作業流程

如圖2所示，為三維激光掃描系統的作業流程，包括數據采集、點云解算和既有線信息提取三部分。

圖2 移動三維激光掃描儀作業流程

1.2.1 數據采集

移動三維激光掃描測量系統在采集前需要靜置5分鐘，目的在于初始化設備的定位定姿系統，并進行系統掃描頻率等參數的設置。

系統運行的同時，在項目控制網上架設基站進行靜態觀測，用于定位數據的后差分處理；由于采集的數據為WGS84坐標系，需要在設備可掃描區域進行靶標布設，通過水準測量獲取靶標的高程，用于進行掃描數據的高程改正，納入至工程坐標系。在作業結束時靜置5分鐘，確保數據的完整性與準確性[4，5]。

整個作業過程中可以調整行車速度或暫停，項目結束后進行數據下載。

1.2.2 點云解算

點云解算包括航跡解算、點云融合及靶標約束。

航跡解算。將基站數據進行格式轉換后，與移動站(小車)數據進行差分解算，將IMU數據進行格式轉換，通過時間同步信息進行軌跡解算，得到精確的POS數據[6～8]。根據POS解算分析報告，對定位精度、姿態精度、衛星信號質量、衛星PDOP值等因素分析，對信號不好的位置進行點云預融合，查看是否存在扭曲變形，以便確認航跡解算精度后，導出最終成果POS。

點云融合。POS解算完成后，根據記錄的時間、空間位置、空間姿態，對激光掃描數據進行計算，依據激光點的時間距離信息，恢復出其三維坐標，即為點云融合。對于信號不好的區域，可以進行段落裁剪，單獨調整POS信息后重新進行點云融合。

靶標約束。點云融合完成后，需要利用靶標進行坐標系統約束。通常平面坐標采用常規投影計算即可獲得，但需要注意為了控制投影長度變形而設定的投影面高。點云數據中的靶標高程為大地高，為了獲得水準高，需要在解算軟件中進行靶標識別，并利用靶標的水準數據對高程進行改正，得到點云成果。

1.2.3 既有線信息提取

既有線信息提取主要包括線路平面、高程提取[9]；線路道岔信息提取；線路橫斷面提取；線路間距計算等。近似連續表達的高精度點云數據，在現實世界的客觀表達上細膩，使得基于鐵道基本參數模型與人工交互提取既有線信息成為可能[10]。

2 應用實例

2.1 項目概況

某既有線增建二線項目長約50 km，涉及車站4座。既有鐵路建成已有30余年，經過長久運營維護，設計資料、臺賬與現狀較為不符。需要對既有線進行復測，提供給相關專業進行增建二線設計。

線路運營工作較為繁忙，只有夜間2小時天窗時間。考慮到項目工期、行車安全人員與儀器管理等方面因素，采用移動三維激光掃描系統進行既有線測量作業，實現既有線三維實景復刻后，將外業工作移至內業開展。

項目沿線每2 km布設一個CPI點，共計32個，按照鐵路四等GNSS測量要求施測；水準點與CPI共點，高程控制網按照四等水準標準施測(1985國家高程基準)。平面坐標系統采用CGCS2000橢球高斯投影工程獨立坐標系統，滿足規范中投影變形要求。

2.2 既有線成果提取

激光點云數據處理完成后，可基于軌跡線文件和點云數據進行既有線信息提取。基本原理為：通過軌跡線文件按照1米間距提取軌面點，軌面點坐標和軌道參數(主要是掃描儀相對于左右軌的距離)進行鐵路中線擬合，擬合完成后根據既有線臺賬資料進行里程賦值。根據擬合的中線和點云數據，自動按照指定里程間距提取既有線軌中平面坐標和中平信息，中平一般直線段為左軌面高程、曲線段為內軌面高程[11，12]。

三維激光掃描儀點云數據密度較大，能夠很好地表達出掃描的數據信息[13]。除了既有線平面和中平信息外，還可進行接觸網、道岔、等地物空間位置的人工交互獲取。主要提取地物如圖3～圖6所示。

圖3 軌道點云數據

圖4 接觸網點云數據 圖5 隧道點云數據

圖6 道岔點云數據

2.3 精度對比分析

采用三維激光移動掃描儀系統進行測量，可獲取三維坐標，測量過程如下：

(1)沿軌道線路布設標靶點[14]：圖7所示，標靶點采用黃白油漆相間涂抹，尺寸：寬度約 20 cm、長度約 35 cm；確保掃描儀能夠清晰掃描到標靶點(軌枕中間位置)；每隔 500 m左右布設一個標靶點(用于激光點云高程的檢核和控制)；標靶點高程按照四等水準施測。按照以上標準，南防線欽防段及欽州樞紐共布設標靶點354個，平均間距 420 m。

圖7 標靶點和標靶點測量圖

(2)移動激光掃描系統開始測量時，同時在CPI控制點上架設GNSS靜態基站，用于點云數據平面坐標的GNSS后差分控制。

(3)通過專用的后處理軟件得到高精度移動三維激光點云(點云精度滿足平、高 2 cm的規范要求)。

利用傳統的人工測量既有線方法與三維激光移動掃描儀測量既有線成果進行精度對比，其對比情況如下：

以“GNSS RTK+水準”利用傳統的人工測量方法抽檢4段(約 4.1 km)移動三維激光掃描儀測量數據。檢測段落情況如表3所示：

使用GNSS RTK檢核既有線中線測量的統計情況 表3

鑒于移動三維激光掃描數據平差后的成果，按要求提供了常規模式里程對應的中線成果，與“GNSS RTK+水準測量”利用傳統的人工測量方法成果一一對應。較差統計如表4所示。

移動三維激光掃描與GNSS RTK+水準測量的較差統計表 表4

2.3.1 中線

計算“GNSS RTK實測既有線中線坐標數據”與“對應三維激光掃描儀測量中線坐標數據”之較差并進行統計。

兩種測量方式所得較差中誤差為 14.7 mm，X最大偏差為 26.9 mm，Y最大偏差為 27.7 mm，滿足限差 28 mm的要求。

圖8 移動三維激光掃描與GNSS RTK人工實測數據成果對比坐標差區間分布圖

2.3.2 中平

利用傳統水準測量方法，比較分析標靶點高程，如果測量結果高程對比小于 20 mm，此標靶點的高程共同作為控制點加入平差計算(當大于 20 mm時，必須分析原因并采取必要的措施)，技術軌面高程。

通過對比，軌面高程較差中誤差為 ±13.4 mm，最大值為 32.1 mm(主要由既有線水準測量無尺墊所造成)；移動三維激光的軌道平順性優于中平水準測量數據。

圖9 移動三維激光掃描與水準測量高程較差統計直方圖

移動三維激光掃描與GNSS RTK+水準測量相鄰點高差較差統計區間分布表 表5

高差較差統計分布如圖10所示。

圖10 移動三維激光掃描與水準儀測量相鄰點高差較差統計區間分布圖

2.3.3 道岔

移動三維激光掃描系統獲得的道岔岔尖、岔根點云不僅非常清晰、方便量測，而且便于復雜道岔的整體把握。

此次驗證，利用GNSS RTK對12個道岔岔心進行測量獲得的數據與激光點云數據測量岔心對比，最大差值為 3 cm，兩種測量方式成果數據吻合較好，精度相當。

移動三維激光點云提取岔心與GNSS RTK測量岔心成果對比驗證 表6

續表6

岔心坐標差異對比如圖11所示：

圖11 移動三維激光點云提取岔心與GNSS RTK測量岔心成果對比圖

利用激光點云測量驗證既有線軌道統計 表7

根據兩種測量方法的驗證對比，三維激光掃描數據的精度與傳統測量方法精度相當，滿足規范要求。

2.3.4 橫斷面

(1)既有線路基橫斷面測量精度驗證

利用GNSS RTK實測路肩斷面軌面點高程、砟肩、砟腳等高程與三維激光掃描點云數據斷面高程進行對比。

共檢測30處斷面，高程最大差值為 0.046 m，最小差值為 0.002 m，滿足規范精度要求。

點云數據提取的橫斷面數據與GNSS RTK方式測量的相同位置橫斷面數據進行對比，對比結果統計情況如下：

橫斷面高程數據對比差值統計表 表8

統計分布如圖12所示。

圖12 點云提取與GNSS RTK測量橫斷面成果高程較差區間分布

利用傳統的人工測量既有線方法與采用三維激光移動掃描儀進行測量的既有線成果進行精度對比，既有線中線測量成果最大差值小于限差 28 mm；軌面高程較差中誤差為 ±13.4 mm；岔心對比最大差值為 3 cm；橫斷面高程最大差值為 0.046 m，最小差值為 0.002 m；均滿足規范要求。表明，三維激光移動掃描儀測量精度與傳統的人工測量既有線方法精度一致。

3 結 語

移動三維激光掃描測量系統的平面和高程中誤差優于2厘米，成果精度穩定可靠，測量精度與傳統人工測量方法精度相當，滿足既有線復測的需要。同時該系統測量速度快動態測量、效率較高，能夠高效率開展作業。點云數據能過能夠直觀、細致表達既有線及沿線地物現狀特征，以上特點較為適合鐵路等大型基礎設施測量工作的開展，但同時也應該關注以下問題。

(1)移動三維激光掃描測量系統在進行工作時，由于運行平臺高度和沿線地物遮擋等限制，掃描范圍有限。既有線復測橫斷面需求較長時，可使用無人機Lidar結合移動三維激光掃描的技術方法進行作業，有效進行數據融合與互補。

(2)移動三維激光掃描測量系統所獲取的點云數據為海量數據，本項目中主要是基于人機交互的方法進行既有線信息提取，將外業工作量轉移至內業，降低了安全風險。但同時，由于鐵路設備設施具有比較明顯的特點，可進一步開展數據處理算法研究，基于模型特征從點云中提取計算鐵路設施設備的空間位置，進一步提高自動化程度。

(3)移動三維激光掃描的成果，可以作為鐵路發展的歷史數據，納入鐵路運營系統的信息化管理中，成為中國鐵路發展史中重要的歷史支撐資料。