重載鐵路檢測裝備中三維與二維激光掃描儀檢校方法

曹海濱,王新平,王文斌,張正軍,尹太軍,曾 杉

(1. 中國神華能源股份有限公司,北京 100011; 2. 國家能源集團,北京 100034; 3. 中科吉芯(秦皇島)信息技術有限公司,河北 秦皇島 066000; 4. 中國科學院地理科學與資源研究所,北京 100101)

重載鐵路作為我國交通運輸業的重要組成部分,對于國民經濟的高質量發展具有重要意義[1-2]。重載鐵路具有車輛軸重大、列車總重大、行車密度大的特點,在長期重載負荷作用下,鋼軌、聯結零件及道床等的磨損與劣化現象發生演化,從而使線路設備設施服役狀態不斷發生變化,為保障重載鐵路運輸安全,需要高頻次、常態化地對線路進行測量和檢測。

傳統的鐵路基礎設施的靜態測量和檢測是通過全站儀、道尺、接觸網幾何測量儀、激光測距儀等測量設備對各項檢查內容進行逐一測量。這種方式不僅效率低,而且需要投入大量的人力成本和設備維修成本,頻繁線上作業也存在安全隱患[3]。為保障在運量不斷增長的情況下確保線路基礎設施狀態良好,國家能源集團探索使用移動測量系統(mobile mapping system,MMS)獲取線路高密度、高精度、三維可視化的點云,將外業基礎設施檢查和高精度測量檢測工作轉變為室內數據分析工作,降低線上作業安全風險和作業成本。該系統常用于鐵路復測[4-6]、限界測量[7]、鋼軌軌道提取[8-10]、鐵路邊坡檢測[11]等領域。

現有MMS系統無法滿足重載鐵路鋼軌的亞毫米精度測量需求,因此需要設計、構建一種新型的車載移動激光掃描系統。新系統集成二維線結構光激光器和傳統的三維相位式激光器,可很好地發揮二維線激光短距離、亞毫米鋼軌高精度測量和三維相位式激光器中長距離全面感知測量的優勢[12]。二維線激光與三維相位式激光精準三維時空同步是實現數據融合和高精度三維量測的基礎,二維與三維激光器檢校是這套鐵路移動激光測量系統的關鍵步驟。本文針對這一需求,根據不同激光器的數據特點,探索和研究一種通用的鐵路移動激光測量系統的檢校方法,以實現不同激光器數據的精準融合。

1 MMS系統組成與重載鐵路點云數據特征

1.1 MMS系統組成

本文研發的基于軌道的移動式重載鐵路高精度檢測裝備如圖1所示。該裝備由三維激光掃描儀、二維線激光器、全景相機、組合導航系統、軌道檢測車載體組成。數據采集傳感器參數見表1。

表1 數據采集傳感器參數

圖1 重載鐵路高精度檢測裝備設計

1.2 重載鐵路點云數據特征

該重載鐵路高精度檢測裝備工作時,其搭載的三維激光掃描儀和全景相機數據相融合,能獲得鋼軌線路通道上的真彩三維點云數據,為重載鐵路線路及周邊環境檢測提供基礎數據。鋼軌三維激光掃描儀安置在裝備上部,受該掃描儀掃描點頻率限制,三維激光掃描數據采集的鋼軌三維數據點密度較低,點云精度發散,無法獲得鋼軌的精細結構。此外,受鋼軌頂部遮擋影響,三維激光掃描數據中鋼軌側面點云缺失,如圖2、圖3所示。

圖2 本文裝備采集的點云數據

圖3 局部區域軌道點云數據(高程渲染)

重載鐵路高精度檢測裝備搭載二維線激光器,用于采集鋼軌輪廓三維信息。位于載體底部的二維線激光器距離鋼軌近,掃描點頻率高,能更好地獲得鋼軌及組件的精細三維數據。二維激光掃描器傾斜安裝,能有效獲取鋼軌側面輪廓的三維點云數據。

三維激光掃描儀與全景相機的融合數據和二維線激光器數據可優勢互補,獲得鋼軌及其組件、周圍地物的三維數據。但受安置誤差、儀器系統誤差等影響,一體化固聯后的三維激光掃描儀和二維線激光器采集的數據之間空間位置存在偏差,如圖2中局部橫截面圖所示。為降低兩種激光掃描數據之間的坐標偏差,需對本文裝備搭載的傳感器進行聯合檢校[13]。

2 重載鐵路檢測裝備中多源激光點云高精度檢校方法

重載鐵路高精度檢測裝備搭載多個激光掃描儀。由于安置傳感器時不可避免地會存在誤差,多個激光掃描儀采集的點云數據之間存在坐標偏差。為獲得重載鐵路場景一體化數據,需對上述多個激光掃描儀進行檢校。通過數學方法,建立各個激光掃描儀之間的內在關系,可實現基于重載鐵路高精度檢測裝備的重載鐵路場景高精度還原。

2.1 檢校場布設與數據采集

針對線激光測距范圍小、線激光光照反射敏感度高的問題,設計直徑尺寸為30～65 mm的靶標球,如圖4所示。靶標球顏色涂裝為啞光灰色和棕色,設計不同高度的磁吸座,實現靶標球高度不同的差異化布局。

圖4 靶標球

為高精度檢校重載鐵路檢測裝備中的兩類激光掃描儀,需要布設帶有一定控制點的檢校場。由于線掃描儀測距較小[14],在檢校場內的軌道內側均勻布設特制靶標球。上述靶標球大小不一、高低不同,使得靶標球球心不在一條線上,為后續檢校參數計算提供了高精度的控制點。檢校場布設如圖5所示。

圖5 靶標球布設

2.2 數據采集

檢校場布設完成后,利用重載鐵路高精度檢測裝備采集檢校場區域內的三維數據。為方便后續計算,軌道檢測車以3 m/s的速度行進,線激光器最大掃描頻率設為500 Hz,以等時或等距方式觸發采集。設備安裝了里程計,可通過里程計進行等距觸發,觸發頻率可調。

2.3 檢校參數計算

為求取三維激光掃描儀與二維線激光器之間的檢校參數,以點位精度更高的二維線激光器為基準點云,以三維激光掃描儀為目標點云,計算兩類激光掃描數據之間的坐標變換參數。下文闡述具體實現方法。

2.3.1 擬合靶標球球心

受三維激光掃描點云與二維線激光掃描點云覆蓋范圍、精度差異影響,直接利用多源點云整體計算多臺激光掃描儀之間的檢校參數效率較低,且易受噪聲影響。本文選擇多源點云數據中靶標球球心作為特征點,計算檢校參數,因此首先擬合三維與二維激光掃描點云中的靶標球球心。

利用人工選取點云中靶標球區域,基于隨機抽樣一致算法(random sample consensus,RANSAC)[15]擬合目標區域中靶標球球心。具體步驟如下:

(1)在目標區域中任取4個點的云點,其對應的球面方程式為

(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2=0

(1)

(2)計算其他點至該球面的距離,若該距離小于設定閾值,則認為該點為內點,否則為外點。

(3)通過迭代計算多組擬合球面方程,選擇內點數目最多的球面方程作為靶標球擬合方程,該球面對應的球心為靶標球球心。

2.3.2 基于靶標球球心特征的檢校參數計算

假設P={p1,p2,…,pi,pi∈3},為三維激光掃描數據中靶標球球心坐標集合;Q={q1,q2,…,qj,qj∈3},為二維線激光掃描數據中靶標球球心坐標集合。由于三維、二維激光掃描儀一體化固聯,P與Q中的靶標球球心可組成n對同名點對,同名點對pi、qj之間的距離Dij可表示為

(2)

式中,(xpi,ypi,zpi)、(xqj,yqj,zqj)分別表示pi、qj的三維坐標。

計算所有同名點對之間的坐標距離后,構建代價函數J為

(3)

為使得代價函數J降低,需對三維激光掃描數據中靶標球球心坐標變換,變換方法為

[x′piy′piz′pi]T=R[xpiypizpi]T+T

(4)

式中,(x′pi,y′pi,z′pi)表示pi變換后的坐標;R為旋轉矩陣;T為平移矩陣。

為尋找最優變換參數[RT],使得代價函數J最低,采用迭代最近點[16](iterative closest point,ICP)算法。最后利用最優變換參數[RT]對三維激光掃描點云的坐標進行變換,完成三維激光掃描點云與二維線激光掃描點云之間的檢校。

3 檢校試驗結果及精度分析

選擇我國北方某重載鐵路中兩段鋼軌作為試驗區域。在兩條鋼軌的內側布設靶標球。隨機挑選15個靶標球作為檢核點用于檢校精度驗證,其余靶標球用于數據檢校。檢校結果如圖6所示,其中綠色為三維激光掃描儀掃描數據,紅色為二維線激光掃描數據。

圖6 檢校后結果

由圖6中檢校后鋼軌側面、斷面示意圖可知,經檢校后,三維激光掃描數據與二維線激光掃描數據鋼軌部分貼合緊密,檢校效果較好。為定量評估經檢校后該裝備獲取的重載鐵路三維還原精度,利用檢核點對檢校后數據精度驗證。重載鐵路三維還原檢校殘差如圖7所示,檢校前后重載鐵路三維數據均方根誤差如圖8所示。

圖7 檢校后殘差分布

圖8 檢校前后均方根誤差變化

由圖7(a)—(c)可知,經多傳感器聯合檢校后,三維激光掃描儀與二維線激光器數據在X、Y、Z方向上檢校殘差數值較小,均小于0.003 m。其中,區域1內多傳感器檢校后在3個方向上檢校殘差的中誤差分別為0.000 9、0.000 5、0.001 0 m,區域2檢校殘差中誤差分別為0.001 7、0.000 7、0.001 2 m。由圖7(d)不同方向檢校殘差分布可知,經檢校,X、Y、Z方向上檢校殘差數值分布集中,殘差的中位數和均值均分布于-0.001～0.001 m內,且均接近于0。這說明檢校后,本項目研制的重載鐵路高精度檢測裝備搭載的多源傳感器數據能高精度融合。

由圖8可知,檢校后三維激光掃描數據和二維線激光數據之間的坐標系偏差由厘米級降至毫米級,實現了兩種數據的高精度融合。

4 結 語

本文提出了一種重載鐵路檢測裝備中三維與二維激光掃描檢校方法,設計了適用于二維與三維均能精準識別的激光標靶球,通過求取三維激光標靶球和二維激光標靶球的最佳匹配擬合參數,歸算出三維激光器與二維激光器的安置角和偏心距的旋轉矩陣,實現了三維激光數據與二維激光數據優于2 mm的精準融合。該方法具有先采集后檢校、操作簡單、節省人力、效果好的優點,可實現集成設備二維與三維激光數據高精準融合匹配,為后續基于高精度激光點云進行鐵路軌道幾何、限界測量、建筑限界及鐵道工程測量的應用研究奠定了數據基礎,具備較好的推廣應用價值。