王 俊

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

地面激光雷達(dá)用于既有鐵路危巖調(diào)查的應(yīng)用實(shí)例

王 俊

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

以我國(guó)建設(shè)難度最高的宜昌至萬州鐵路沿線高危路段的隧道出入口作為調(diào)查對(duì)象，采用無接觸測(cè)量手段，使用地面激光雷達(dá)對(duì)危巖懸崖進(jìn)行觀測(cè)及數(shù)據(jù)采集，并對(duì)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)及影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得到調(diào)查對(duì)象的數(shù)字高程模型及三維真彩色模型。根據(jù)用戶需求，提供縱斷面、隧道地形、危巖位置等成果數(shù)據(jù)。

宜萬鐵路 無接觸測(cè)量 地面激光雷達(dá) 三維建模 斷面生成

1 項(xiàng)目概況

宜萬鐵路東起湖北宜昌，西至重慶萬州，全長(zhǎng)約377 km，是我國(guó)迄今為止施工難度最大、每公里造價(jià)最高、歷時(shí)最長(zhǎng)的山區(qū)鐵路。

鐵路沿線絕大部分區(qū)域?yàn)榭λ固厣絽^(qū)地貌，另外還遍布各種復(fù)雜、危險(xiǎn)、不穩(wěn)定的地質(zhì)環(huán)境。

本線路的設(shè)計(jì)時(shí)速最高達(dá)160 km，在如此復(fù)雜的山區(qū)環(huán)境中屬罕見。為保障列車的安全行駛，必須對(duì)全線有危巖落石可能的區(qū)域進(jìn)行測(cè)量及調(diào)查工作。由于全線橋隧比達(dá)到74%，隧道洞口均為懸崖峭壁，傳統(tǒng)測(cè)量手段無法保證安全，故采用無接觸測(cè)量的方式進(jìn)行測(cè)繪工作，選用的儀器為地面三維激光掃描儀，配套軟件為專業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件Riscan Pro及TerraSolid。

2 激光測(cè)距原理及儀器介紹

2.1 地面激光雷達(dá)測(cè)量原理

激光掃描技術(shù)是近年來新興的一種測(cè)量手段，采用非接觸式的測(cè)量方式，改以往的點(diǎn)測(cè)量為面測(cè)量，以點(diǎn)云的形式高精度地獲取地形、地物、復(fù)雜物體表面的三維數(shù)據(jù)模型。

根據(jù)掃描儀載體的不同分為機(jī)載、車載和地面三種，其中地面激光雷達(dá)的測(cè)量效率最低，但相對(duì)精度最高。

地面激光掃描儀主要分為脈沖式和相位式兩種，其原理分別是計(jì)算光波在空氣中運(yùn)行的時(shí)間或者整數(shù)波長(zhǎng)的個(gè)數(shù)來反算出光束在空氣中運(yùn)行的距離，即可得到出發(fā)點(diǎn)(儀器對(duì)中點(diǎn))到目的點(diǎn)(被測(cè)目標(biāo))的距離。相對(duì)于全站儀無棱鏡測(cè)量方式，地面激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)不在于測(cè)量精度，而是超高的測(cè)量速度。

2.2 測(cè)量?jī)x器簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目使用的是奧地利Riegl公司生產(chǎn)的VZ400地面激光掃描儀。

該設(shè)備主要參數(shù)如表1。

表1 VZ400主要參數(shù)

(1)實(shí)際測(cè)量中可采用高速模式或遠(yuǎn)距模式，其中高速模式測(cè)量距離為350 m，遠(yuǎn)距模式為600 m。

(2)水平及垂直最低角度步頻率為0.002 4°，在100 m處點(diǎn)間隔為4 mm。

(3)高速模式為300 kHz，遠(yuǎn)距模式為100 kHz。

(4)單點(diǎn)測(cè)量精度為5 mm，重復(fù)測(cè)量精度為3 mm。

(5)垂直范圍為-40°～+60°，水平轉(zhuǎn)動(dòng)無死角。

3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

3.1 隧道口測(cè)量

以榔坪二號(hào)隧道出口為例，隧道口側(cè)懸崖高150 m，由于儀器的垂直掃描角向下不大于40°，向上不大于60°，為了掃描過程中包含所有采集區(qū)域，設(shè)站點(diǎn)必須遠(yuǎn)離懸崖，如圖1所示。儀器設(shè)置于靠近榔坪三號(hào)隧道入口處，最大測(cè)量距離不大于350 m，所以采集時(shí)可選取快速掃描模式，掃描時(shí)間約20 min，即可獲得整個(gè)懸崖的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。懸崖上方還有約200 m長(zhǎng)緩坡，坡度約40°，屬于落石高危區(qū)域。由于角度關(guān)系，設(shè)站點(diǎn)1無法獲得緩坡數(shù)據(jù)，需要將設(shè)站點(diǎn)移至懸崖對(duì)面的坡頂，設(shè)站點(diǎn)2距離緩坡頂部較遠(yuǎn)，已超過350 m，超出高速采集模式的測(cè)距限制，需要開啟遠(yuǎn)距模式。在該模式下，采集速度較慢，整個(gè)掃描過程持續(xù)約1 h，兩個(gè)場(chǎng)景的掃描數(shù)據(jù)可后期無縫拼接。

圖1 懸崖掃描示意

3.2 路塹測(cè)量

除隧道口懸崖外，本項(xiàng)目還采集了幾處有危巖落石可能的路塹，以沙坪隧道路塹為例：

路塹一般延伸距離較長(zhǎng)，如果測(cè)距超過350 m將無法使用高速模式，采集時(shí)間加長(zhǎng)；同時(shí)掃描角度過小將會(huì)造成由遮擋帶來的信息丟失。故可根據(jù)實(shí)際情況增加測(cè)站數(shù)量，如條件允許，在測(cè)站間的重疊地帶貼上激光反射靶標(biāo)，以方便內(nèi)業(yè)拼接(如圖2)。

圖2 路塹掃描

4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

4.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及定向

三維激光掃描儀掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都在其自定義的掃描坐標(biāo)系中，如果數(shù)據(jù)的后處理要求得到大地坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)，這就需要將掃描坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系下，這個(gè)過程就稱為三維激光掃描儀的定向。 在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中，設(shè)立特制的定向識(shí)別標(biāo)志，即激光反射標(biāo)靶。通過計(jì)算標(biāo)靶中心坐標(biāo)，采用公共點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，求得兩坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)全部轉(zhuǎn)換至設(shè)計(jì)坐標(biāo)系中。

4.2 場(chǎng)景拼接

一般情況下，一個(gè)對(duì)象的掃描都會(huì)由一個(gè)以上的掃描場(chǎng)景組成，每個(gè)場(chǎng)景獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都是以該設(shè)站點(diǎn)為中心的坐標(biāo)，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將每個(gè)場(chǎng)景的坐標(biāo)統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系下，再通過連接點(diǎn)的位置坐標(biāo)將數(shù)個(gè)場(chǎng)景的點(diǎn)云拼接到一起。

4.3 點(diǎn)云后處理

點(diǎn)云拼接后會(huì)形成一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)文件，并包含大量冗余數(shù)據(jù)，需要對(duì)該文件進(jìn)行處理。根據(jù)激光測(cè)距的原理可知，激光束在碰到地物時(shí)會(huì)形成反射，返回接收器后即可獲得該地物的三維坐標(biāo)，如果此地物的面積小于激光束的光斑，光束還會(huì)繼續(xù)行進(jìn)，直至碰到下一個(gè)可反射光線的地物，如此反復(fù)，對(duì)應(yīng)于一束發(fā)射光線，接收儀將會(huì)得到多于一束的反射光線。而往往前幾次反射是照射到植被產(chǎn)生的，這些數(shù)值不能代表地表的坐標(biāo)，必須進(jìn)行剔除。通過點(diǎn)云處理軟件和部分人工處理，將植被引起的反射值移除，使點(diǎn)云數(shù)據(jù)盡量接近真實(shí)地表。處理過的點(diǎn)云可通過軟件(Riscan Pro，Terrasolid)生成數(shù)字高程模型(DEM)，通過DEM可根據(jù)用戶需求獲得數(shù)字地形圖，橫、縱斷面等數(shù)字產(chǎn)品。

4.4 紋理貼圖與地物辨識(shí)

在工程上，用戶關(guān)心的不僅僅是斷面線的形狀，同時(shí)還有斷面線所穿過地物的位置、性質(zhì)、屬性。要獲得這些信息，就必須將地物的數(shù)字高程模型與高分辨率的彩色照片相疊加。本項(xiàng)目的掃描儀可搭載高精度、低畸變的專業(yè)單反數(shù)碼相機(jī)，通過軟件，根據(jù)數(shù)碼相機(jī)獲得的彩色照片，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的每個(gè)點(diǎn)都賦予RGB三色，即可快速生成一個(gè)高分辨率的貼圖紋理模型，建立像照片一樣真實(shí)的三維模型。

通過斷面線與三維真彩色模型相結(jié)合，即可獲得斷面線經(jīng)過地物的各項(xiàng)屬性，如圖3。

圖3 斷面成果數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

高速鐵路的特殊性質(zhì)決定了無接觸測(cè)量才是最佳、最安全的測(cè)量方式，無論是隧道洞口的地形測(cè)量、地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地區(qū)的災(zāi)情預(yù)測(cè)，還是鐵路沿線的常規(guī)運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)，三維激光雷達(dá)集作業(yè)安全、采集效率、測(cè)量精度于一身，在不遠(yuǎn)的將來將會(huì)逐漸取代常規(guī)測(cè)量方法，與機(jī)載、車載激光雷達(dá)相結(jié)合，可以獲得完整的高速鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)的解決方案。

[1] 董洪波.高精度全站儀在漣水特大橋二等跨河水準(zhǔn)中的應(yīng)用分析[J].鐵道勘察，2013(2)

[2] 徐幸福.基于滬杭高鐵運(yùn)營(yíng)維護(hù)監(jiān)測(cè)的技術(shù)設(shè)計(jì)研究[J].鐵道勘察。2012(6)

[3] 簡(jiǎn)驍，童鵬.基于地面激光雷達(dá)技術(shù)的隧道變形監(jiān)測(cè)方法研究[J].鐵道勘察,2011(6)

[4] 陳永奇.工程測(cè)量學(xué)[M].北京：測(cè)繪出版社，1995

[5] 中鐵二院.鐵路工程測(cè)量規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2010

[6] 孔祥元，郭際明，劉宗泉.大地測(cè)量學(xué)基礎(chǔ)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，1998

[7] 王晏民，胡春梅.一種地面激光雷達(dá)點(diǎn)云與紋理影像穩(wěn)健配準(zhǔn)方法[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2012，41(2)

TheSurveyofUnstableRockITIaSSforExistingRailwaywith3DLaser-Scanner

WANG Jun

2014-10-14

王 俊(1978—)，男，2008年畢業(yè)于德國(guó)斯圖加特技術(shù)應(yīng)用大學(xué)測(cè)繪工程專業(yè)，碩士，工程師。

1672-7479(2014)06-0015-02

P258

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