郭志廣

(中鐵三局集團山西天昇測繪工程有限公司，山西 太原 030002)

徠卡測量新技術應用專欄

徠卡MS50在鐵路隧道建筑限界檢測中的應用開發(fā)

郭志廣

(中鐵三局集團山西天昇測繪工程有限公司，山西 太原 030002)

鐵路建筑限界是鐵路安全運輸?shù)闹匾ＷC。本文基于徠卡MS50全站掃描儀對建設期鐵路工程隧道進行了檢測，探索了新的測量方法及數(shù)據(jù)處理方法，并結合MFC、PCL、VTK等技術開發(fā)了通用數(shù)據(jù)處理軟件，實現(xiàn)了高效的斷面提取、限界分析等功能。

MS50全站掃描儀；隧道建筑限界；點云數(shù)據(jù)處理；PCL點云庫

一切建(構)筑物、設備，均不得侵入鐵路建筑限界[1]。因此，在鐵路工程建設期和運營期進行鐵路限界檢測都是一項重要工作，尤其是隧道工程。

徠卡新推出的高精度MS50全站掃描儀可以快速高效地獲取反映隧道現(xiàn)狀的密集點云，為限界檢測提供了一個全新的技術手段。本文擬結合實際工程應用，系統(tǒng)研究檢測方法及其數(shù)據(jù)處理過程，并運用VC++語言，結合MFC框架、PCL庫、VTK庫等編制通用數(shù)據(jù)處理軟件，實現(xiàn)限界檢測功能。

一、MS50全站掃描儀技術優(yōu)勢

1. MS50與三維激光掃描儀的區(qū)別

常見的三維激光掃描儀常采用以儀器中心為原點的任意三維空間直角坐標系，它是通過測量儀器中心至目標點的斜距，再結合儀器水平和垂直旋轉角度計算出測點三維坐標(X,Y,Z)[2]。

徠卡MS50全站掃描儀提供了一個功能全面的解決方案，集成了高精度全站儀技術和高速三維掃描技術。它直接采用大地測量三維空間直角坐標系(E,N,H)[2]。

這一根本性的變化使得測量外業(yè)更簡單，成果更真實。如使用普通三維激光掃描儀必須在測站之間布設拼接靶球或人工標志，測站拼接將帶來精度損失。在筆者的工作實踐中也曾發(fā)生過因拼接位置設置不合理導致最終失敗的案例。而徠卡MS50全站掃描儀解決了這個問題，完成設站和定向后即可開始掃描，各測站基準統(tǒng)一，檢測點云無需拼接，測量坐標真實可靠。

2. MS50適應隧道工程檢測的優(yōu)勢

隧道施工以施工控制網(wǎng)為基準開展各項工作，施工控制網(wǎng)包括平面坐標和高程。一般鐵路工程隧道洞內導線點間距約200 m，隧道中線樁約100 m。

普通三維激光掃描儀受自身測程和精度限制，若不加密控制網(wǎng)難以快速開展工作，而徠卡MS50全站掃描儀采用源自航天的WFD激光測距技術，測程長達2000 m，測量精度在100 m處高達0.8 mm[3]。

MS50按全站儀方式設站和掃描，有利于現(xiàn)場測量人員熟練使用，采用后方交會方式一步完成三維設站，工作方式以施工控制網(wǎng)為基準，完全適應線性隧道工程測量任務，精度無損失。

3. MS50掃描測量方法

三維激光掃描儀一般按等角間隔進行掃描，因此距離掃描儀越遠點位密度越小。為保證隧道檢測點云分布均勻，測量時采用對向掃描方式(如圖1所示)。

二、數(shù)據(jù)處理關鍵技術

1. PCL點云庫

PCL(point cloud library)是一個模塊化的現(xiàn)代C++模板庫。其基于以下第三方庫：Boost、Eigen、FLANN、VTK、CUDA、OpenNI、Qhull，實現(xiàn)點云相關的獲取、濾波、分割、配準、檢索、特征提取、識別、追蹤、曲面重建、可視化等[4]。

PCL采用BSD授權方式，可以免費進行商業(yè)和學術應用[4],有利于科研人員進行學術研究。但是在國內應用PCL的研究還不多，同時PCL庫的構架又十分復雜，初學者或開發(fā)研究往往需要參閱大量文獻[5-6]。

2. 處理流程

處理流程為：點云導入→格式轉換→參數(shù)設置→斷面提取→限界分析→成果輸出。

3. 格式轉換

徠卡MS50測量數(shù)據(jù)可導入Infinity軟件中查看，導出PTS格式文件后提取前3個字段(即E、N、H大地坐標)形成PCD文件。

4. 坐標系定義

通過點云數(shù)據(jù)分析隧道限界涉及不同三維空間直角坐標系定義及其轉換關系，現(xiàn)明確如下：

1) MS50全站掃描儀采用左手坐標系(測量坐標系)，點位坐標表示為(N，E，H)。PCL庫采用右手坐標系(數(shù)學坐標系)，點位坐標表示為(X，Y，Z)。對應關系：N=Y、E=X、H=Z。

2) 隧道限界分析時采用右手坐標系(數(shù)學坐標系)，以左線中心內軌面為原點，橫軸指向右側(X軸)，豎軸向上(Z軸)，Y軸指向大里程方向。

5. 斷面提取算法

PCL v1.6庫原生clipper()平面截取函數(shù)存在錯誤，改造后實現(xiàn)了通過兩次平面截取來提取斷面點云的功能(兩平面之間距離稱為斷面厚度[7])。

平面方程采用AX+BY+CZ+D=0表達式，其系數(shù)組成法向量表示平面空間狀態(tài)。二次平面截取過程如下：第1次平面截取將點云分成去除和留下兩部分，在留下的點云中進行第2次平面截取，提取出的斷面點云先平移再旋轉，然后才能在二維平面限界分析。關鍵代碼如下：

∥斷面提取

Eigen::Vector4f vL,vR;

double dCK=LeftLine.ConK(dkCal);

double dKL=dCK-dRange-dSeg;

double dKR=dCK+dRange+dSeg;

oPt=LeftLine.GetV_XYZ(dKL);

vL <

oPt=LeftLine.GetV_XYZ(dKR);

vR <

ts::CrsClipper3Dclipper(vL);

clipper.setPlaneParameters (vR);

∥平面投影

pcl::PointCloudcld_proj;

pcl::ProjectInliersproj;

proj.setModelType(pcl::SACMODEL_PLANE);

proj.setInputCloud(cld.makeShared());

proj.setModelpTo(plane2d);

proj.filter(cld_proj);

∥點云平移

float R1=0;

pcl::PointCloudcld_T;

Eigen::Affine3f T=Affine3f::Identity();

T.translation()<<-O.Y,-O.X,-O.H;

T.rotate(AngleAxisf(R1, Vector3f::UnitZ()));

pcl::transformPointCloud(cld_proj, cld_T, T);

∥點云旋轉

float R2=2 * M_PI-O.dA+M_PI / 2;

Eigen::Affine3f R=Affine3f::Identity();

R.translation() << 0, 0, 0;

R.rotate(AngleAxisf(R2,Vector3f::UnitZ()));

pcl::PointCloudcld_R;

pcl::TformPointCloud(cld_T, cld_R, R);

6. 限界分析算法

鐵路隧道限界測量是絕對位置測量(與文獻[7]確定隧道中軸線的方法截然不同)，必須以施工控制網(wǎng)和隧道設計為基準進行分析。參數(shù)包括：斷鏈表、曲線表、坡度表、豎曲線表、線間距表、隧道斷面尺寸、類型及其分布里程、隧道限界輪廓等。

限界分析就是要計算出檢測點到限界的最小距離?；舅悸肥牵合扔嬎阆藿缰行闹翙z測點方位，初步判定對應限界邊，若能確定投影坐標則兩點距離差即為檢測偏差，否則向相鄰邊界擴展，仍不能確定投影坐標時則取邊界角點為投影點計算偏差。

三、工程應用案例

渝黔鐵路擴能改造工程作為中國“十二五”綜合交通運輸體系規(guī)劃重點項目，設計建設標準為國鐵Ⅰ級雙線電氣化鐵路，設計時速200 km/h，隧道建筑限界執(zhí)行《鐵路技術管理規(guī)程》KH-200客貨共線技術標準[1]。

《鐵路技術管理規(guī)程》規(guī)定的隧道限界均按照單線直線段定義，在曲線段應按規(guī)定進行加寬，在雙線時還應考慮線間距。

應用本文方法共檢測隧道15座，總長度超過10 km，按每1 m一個斷面進行分析(斷面厚度為5 cm)，斷面透視效果如圖2所示，某斷面限界分析如圖3所示。

圖2 隧道斷面透視

圖3 隧道建筑限界分析(雙線)

四、結束語

采用徠卡MS50全站掃描儀檢測鐵路隧道建筑限界是一種新的、快速高效的測量方法，預示掃描技術必將迎來新的發(fā)展契機。筆者開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件能夠提取斷面和分析限界偏差，具有較高的實用價值。

[1] 中國鐵路總公司.鐵路技術管理規(guī)程[M].北京:中國鐵道出版社,2014.

[2] 李東敏,范百興,周蘊,等.全站式掃描儀測量原理及精度分析[J].測繪通報,2014(8):131-133.

[3] 張維.徠卡全站掃描儀MS50在變形監(jiān)測中的應用[J].測繪通報,2014(6):131-132.

[4] 朱德海,郭浩,蘇偉.點云庫PCL學習教程[M].北京:北京航空航天出版社,2012.

[5] 李永毅,劉耀軍.基于VTK與MFC的多平面重建技術研究與實現(xiàn)[J].太原師范學院學報(自然科學版)，2011, 10(1):84-88.

[6] 田玉珍.如何實現(xiàn)基于MFC對話框的PCL顯示[EB/OL].[2015-03-18].http:∥www.pclcn.org/bbs/forum.php? mod=viewthread&tid=223&page=1&extra=#pid750.

[7] 李珵,盧小平,朱寧寧,等.基于激光點云的隧道斷面連續(xù)提取與形變分析方法[J].測繪學報,2015,44(9):56-62.

[8] 徠卡測量系統(tǒng)[EB/OL].[2015-03-18]. http:∥www.leica-geosystems.com.cn/ leica_geosystems/productdetail.aspx?tnid=415&bigcolid=3.

[9] PCL[EB/OL].[2015-03-18].http:∥www.pclcn.org/study/news.ph p?Lang=cn&class2=102.

ApplicationofLeicaMS50intheDetectionofRailwayTunnel

GUO Zhiguang

2016-08-21

郭志廣(1975—)，男，工程師，主要研究方向為鐵路工程精密測量。E-mail：gzg163@163.com

(本專欄由徠卡測量系統(tǒng)和本刊編輯部共同主辦)