車載激光掃描在鐵路復測中應用研究＊

張邵華

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043）

0.引言

截至2021年底，全國鐵路營業里程突破15萬km，其中高鐵超過4萬km。一大批新建高速鐵路、城市地鐵、重載鐵路、高寒（原）鐵路等投入運營，需要投入大量人力物力開展病害調查、變形監測、應力測試等，以有效檢測病害信息、開展維護保養并確保運輸安全。

傳統鐵路測量工作主要借助全站儀、水準儀、GPS，用于施工測量、超欠挖檢測、竣工測量及隧道變形監測等，但具有測量手段功能單一、人工測量工作繁雜效率低、觀測時段受限等缺點，不能滿足當今高效率的隧道工程施工和高密度的鐵路運營維護工作要求[1-3]。相對于傳統的散點式測量方式，三維激光掃描技術實現面立體交叉的空間測量模式，并且其外業采集方式為非接觸式，可快速全面地獲取鐵路狀態表征信息，使測量方式更加高效可靠，有助于保障測量人員的作業安全，滿足鐵路大規模運營、建設、規劃形勢下鐵路施工質量和安全運營的高效、經濟的技術保證要求[4-5]。

移動測量系統主要由高精度三維激光傳感器模塊、高精度激光慣導模塊、定位導航模塊、高清全景影像模塊、同步控制模塊、電源模塊、嵌入式計算機等硬件構成。通過系統集成控制各模塊協同工作，共同完成移動測量系統三維地理采集工作[6]。

1.車載移動掃描系統模塊

本單位自主搭載集成的鐵路移動三維激光掃描系統共分為4個主要單元，如圖1所示。

圖1 移動掃描系統模塊構成

（1）電源與管理模塊：對整套系統進行供電及相應的電路保護，從而保證系統的正常工作。

（2）控制與存儲模塊：通過電路控制將所有傳感器進行同步數據采集，并將采集到的相關數據上傳至存儲系統中。

（3）數據采集傳感器：利用各種傳感器，獲取物體的各種相關信息，主要包括點云數據、全景影像、空間位置和姿態信息等。

（4）數據采集與融合SDK（含IE軟件）：包括激光數據、全景圖像采集以及GNSS/IMU/DMI數據采集SDK，以及針對采集原始數據進行融合SDK模塊。

通過內同步機制，同步采集三維激光掃描數據、全景影像數據、GPS/IMU/DMI原始數據，并進行嚴格的時間同步和空間同步處理，完成多源數據融合，獲得帶絕對坐標的高精度點云數據和影像軌跡數據，用于鐵路高精度工程測繪作業。

移動測量多源數據融合主要指三維激光掃描的原始點信息經POS系統獲取的定位定向參數轉換獲得三維空間點云的過程。POS系統獲取的定位定向數據，主要包含移動測量系統載體上的流動站GNSS數據、IMU慣性測量單元獲取的原始三軸加計和陀螺儀數據、DMI里程編碼器模塊獲取的里程累計輔助信息數據以及GNSS基站獲取的基準站GNSS數據。POS系統獲取的原始定位定向數據，經后差分緊耦合解算（GNSS弱信號段采用航位推算算法）獲得POS系統定位定向數據（即POS定位信息及姿態信息），如圖2所示。

圖2 GPS/IMU緊耦合結構及信息流程圖

但在峽谷、隧道及樹木遮擋區，由于GNSS信號的遮擋等，會導致組合導航定位精度下降，為了保證最終測量的精度，需要在行車軌跡上布置靶標控制網。基于鐵路控制網坐標約束進行組合導航系統誤差修正，在GNSS信號不良區域采用IMU/DMI為主的航位推算進行定位定姿解算，根據誤差傳播規律引入控制點坐標進行聯合解算，修正定位定姿誤差，以提高三維點云的精度[7-8]。

2.鐵路復測要素提取

將移動掃描系統集成模塊搭載于可乘坐兩人的軌道小車上，時速可達到20km/h，以西部某鐵路提質改造項目為例，現場數據采集示意圖如圖3所示，基于鐵路移動掃描系統可采集獲得鐵路場景的三維點云及影像信息。在對多源數據融合處理，獲得高精度的三維點云后，可根據點云信息進行線路測量，主要包括里程測量、中線測量、路基橫斷面測量、隧道橫斷面測量、站場測量、線路復測要素提取、曲線整正計算、地形圖更新測量等內容[9-10]。

圖3 現場數據采集示意圖

2.1 精度驗證

利用鐵路沿線布設的高精度CPIII控制網標靶，進行POS優化，對靶標糾正前后的三維點云精度進行統計，結果如表1所示，在靶標糾正前，平面平均精度7.9cm，高程5.1cm；點云經靶標糾正后，點云平面平均精度1.8cm，高程1.1cm，滿足了鐵路復測中精度要求。

表1 靶標糾正前后三維點云精度

2.2 軌道中心線提取

利用車載激光雷達掃描系統融合生成的POS位置姿態信息數據，結合設備自身標定好的結構信息參數通過算法自動分類出軌道面點云。利用分類的軌面激光點云，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3cm，高程3cm空間進行濾波處理，最終得到任意斷面軌頂點數據。根據模板匹配提取軌頂中心，并制定間距對軌頂點數據進行擬合，形成最終的精確軌面線，完成軌道中心線的自動化提取，如圖4所示。

圖4 中心線提取示意圖

2.3 路基斷面提取

橫斷面圖是線路維修、技術改造時的設計、施工的重要依據。在既有線百米標、地形變化處的加標、擋土墻、護坡、路基病害處、平交道口、隧道洞口、涵管中心及橋臺等處均應測繪橫斷面圖。測繪橫斷面時在軌頂、砟腳、砟肩、路肩、側溝、平臺和圍墻等處均應測點。傳統的既有鐵路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，作業危險系數低。采用車載激光雷達技術獲取到既有線數據后，相當于獲取了既有線上的全息信息，采用道格拉斯-皮克法算法，即完成橫斷面的提取，如圖5所示。

圖5 路基斷面提取示意圖

2.4 隧道斷面提取

隨著運營線路的老齡化以及周邊建筑、土體等擠壓導致隧道出現不同程度的變形，對隧道橫斷面進行提取，分析隧道結構、變形、接觸網、限界、超欠挖、襯砌厚度、拱頂下沉等測量成果，作為鐵路隧道建設紅線和風險管理的重要信息，可為施工期的質量安全和運營期的維護提供決策輔助。對隧道橫斷面的提取，常采用等間隔斷面、指定里程斷面或指定坐標3種方式提取，根據點云四叉樹、K-D樹等快速搜索算法定位到斷面范圍內的點云，由指定的斷面間距、斷面厚度、角度間隔等完成三維斷面的提取，如圖6所示。

圖6 隧道斷面提取示意圖

3.結語

本文提出了基于移動三維激光技術的鐵路復測方法，并通過在鐵路軌道車上架設高精度移動三維激光掃描系統對鐵路進行連續掃描，實現鐵路全斷面數據采集，獲取的三維點云及數碼影像成果真實記錄了現場鐵路狀況以及公務設備情況；研究了融合GNSS、IMU和DMI的多源信息動態定位和定姿方法，達到檢測載體厘米級絕對定位精度；完成了基于激光點云進行軌道幾何要素的自動提取，實現了軌道中心線、軌道軌頂點、路基橫斷面、隧道斷面數據的快速提取與成圖；減少了外業人工數據，提高了整體作業效率，為線路維護、提速改造等提供了可靠數據支撐。