曹思語，曹成度，李海亮

(1. 武漢市第十四中學，湖北 武漢 430060； 2. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

在新建鐵路的設計工作中，為了優(yōu)化線路方案、設計重點橋梁的橋型橋式、選擇隧道進出口、排查不良地質(zhì)等工作，需要對重要工點進行精細勘察。當前，工點勘察主要采用常規(guī)GPS、全站儀等手段人工實地測繪完成。由于鐵路重要工點多地處險、難環(huán)境下，采用常規(guī)方法存在工作效率低、安全風險大等問題[1]。

地面三維激光掃描技術作為一種三維空間信息數(shù)據(jù)實時獲取技術，近年來得到了迅猛發(fā)展，該技術可以在外業(yè)以主動、高效、非接觸的方式獲取被測目標的高精度、高密度三維點云[2-4]，后期在內(nèi)業(yè)對三維點云進行處理、分析和數(shù)據(jù)挖掘，生產(chǎn)所需的數(shù)據(jù)成果[5-6]。該技術將大部分繁重的外業(yè)工作轉(zhuǎn)移到內(nèi)業(yè)完成，特別適合工點勘察。

本文以天寶SX10地面三維激光掃描儀為例，對地面三維激光雷達技術在鐵路工點勘察中的應用進行研究，提出作業(yè)方案和流程，從而提高工點勘察的作業(yè)效率、成果質(zhì)量和安全系數(shù)。

1 天寶SX10地面激光掃描儀

SX10地面三維激光掃描儀是天寶公司于2016年下半年推出的新一代激光掃描儀，如圖1所示。Trimble SX10激光掃描儀將測量、影像和高速掃描集成為一體，為工程、測繪等專業(yè)技術人員提供了創(chuàng)新的解決方案。該掃描儀具有以下特點：

(1) 集測量、影像和高速三維掃描于一體的革命性解決方案，不僅是一臺地面激光掃描儀，同時也可以作為全站儀和影像全站儀使用。

(2) 掃描速度高達每秒26 600個點，測程可達600 m，點尺寸100 m處僅14 mm。

(3) 可采用全站儀建站方式完成設站，建站精度高、效率高，無需反射靶標。

(4) 改進的Trimble VISION技術允許快速和方便地獲取高分辨率工地影像。

(5) 后期數(shù)據(jù)處理TBC軟件功能強大，可快速、高效地完成數(shù)據(jù)處理和成果生產(chǎn)。

圖1 天寶SX10地面激光掃描儀

2 作業(yè)方案

2.1 地面激光雷達數(shù)據(jù)采集

2.1.1 采集方案設計

為了項目能夠順利實施，應在采集前進行方案設計。方案設計時，應對項目現(xiàn)場進行踏勘，收集現(xiàn)場控制點等既有資料，了解掃描對象的范圍、空間分布、精度和分辨率要求等[7]。

完整的技術設計方案包括項目概況、技術設計依據(jù)、測量控制點布設方案、掃描儀選擇與參數(shù)設置、掃描數(shù)據(jù)拼接方案、數(shù)據(jù)處理方案、提交的成果、項目的工作進度計劃、人員分組、后勤保障等[8]。

2.2.2 控制網(wǎng)布設

控制網(wǎng)的設計應充分考慮項目精度需求[9]。天寶SX10地面激光掃描儀的設站方式比較獨特，可采用全站儀建站方式完成設站，建站精度高、效率高。在進行控制網(wǎng)布設時，應充分考慮掃描儀設站位置，可根據(jù)項目現(xiàn)場實際情況靈活選擇定向方法。本文推薦采用自由設站法，即保證任一架站點能夠通視兩個已知點，通過空間后方交會設站?？刂凭W(wǎng)施測方法可根據(jù)項目精度需求進行設計。

2.1.3 工點掃描

工點掃描的目的是獲取完整、符合精度要求的點云數(shù)據(jù)，是后續(xù)應用的基礎。掃描開始前要做好相關準備工作，主要包括儀器、人員組織、交通、后勤保障、測量控制點布設等。

天寶SX10地面激光掃描儀單站掃描的基本步驟如下：

(1) 儀器安置。在選擇好的架站位置，架設儀器，連接好相關配件，對中(在需要的條件下)、整平。

(2) 設站。通過觀測已知點，建立測站，推薦采用自由設站法。

(3) 掃描。通過平板電腦操作掃描儀，設置掃描參數(shù)，主要包括工程文件名、文件存儲位置、掃描范圍、分辨率等，確保參數(shù)設置無誤后即可開始掃描。

(4) 掃描檢查與換站。掃描完成后，應對點云和影像質(zhì)量進行檢查，確保獲取了合格的數(shù)據(jù)，檢查數(shù)據(jù)無誤后可換站繼續(xù)掃描。

2.1.4 點云數(shù)據(jù)處理

外業(yè)掃描完成后，將數(shù)據(jù)導入TBC(Trimble business center)中，對點云數(shù)據(jù)進行拼接、融合和賦色。同時，利用TBC軟件的地形濾波功能濾除植被、建筑物等非地面點，最后將點云數(shù)據(jù)保存為LAS文件，用于后續(xù)應用。

2.2 地形圖測繪

(1) 地物采集。在TBC軟件中導入激光點云，通過三維瀏覽判斷地物邊界，并使用矢量勾繪功能繪制地物，繪制完成后將地物矢量導出為CAD格式文件，最后在CASS軟件中完成地物符號化。

(2) 等高線、高程點及陡坎提取。在TBC軟件中導入激光點云，并對點云根據(jù)地形特征進行抽稀后導入CASS中，基于CASS軟件自動內(nèi)插等高線，采集高程點，繪制陡坎。

(3) 地物編輯。將地物、等高線、高程點和陡坎等融合在CASS中進行編繪，輸出地形圖。

2.3 不良地質(zhì)解譯

在TBC軟件中通過三維瀏覽，并切換顯示方式，判識危巖落石、裂隙等不良地質(zhì)信息，并基于TBC矢量勾繪功能標繪不良地質(zhì)信息。不良地質(zhì)解譯完成后，將解譯成果導出為CAD格式文件，疊加到地形圖上。

2.4 斷面測量

將濾波后的激光點云構(gòu)建三角網(wǎng)，通過斷面平面線與三角網(wǎng)求交，從而切取橫、縱斷面，并在橫斷面上標繪地物和不良地質(zhì)信息。

3 工程應用

衢寧鐵路是典型的山區(qū)鐵路，橋隧眾多，隧道口及橋臺處常常存在眾多危巖落石，給鐵路的施工和后期運營帶來了很大的隱患。

為了驗證本文方法，選取衢寧鐵路某隧道口進行工點勘察試驗。

試驗中基于鐵路基礎控制網(wǎng)在隧道口利用導線測量建立了激光掃描控制網(wǎng)，掃描控制網(wǎng)精度優(yōu)于2 cm。基于掃描控制網(wǎng)，采用天寶SX10地面三維激光掃描儀獲取了平均點間距優(yōu)于10 cm的點云。

掃描完成后，利用全站儀實地采集10個地物特征點和30個高程點作為檢查點，基于該檢查點統(tǒng)計激光點云的平面和高程精度見表1。

表1 激光點云精度統(tǒng)計 m

基于掃描的點云數(shù)據(jù)制作了1∶500地形圖，并解譯了不良地質(zhì)信息，如圖2所示。同時根據(jù)設計要求，截取了20個橫斷面，為該隧道口的精細設計提供了數(shù)據(jù)支撐。

圖2 工點三維點云模型及不良地質(zhì)信息解譯

通過該工點的應用，采用常規(guī)方法勘察約需要15 d，而采用本文方法外業(yè)采集需45 min，內(nèi)業(yè)解譯需30 min，工作效率顯著提高，同時工點勘察質(zhì)量也得到了有效保障。

4 結(jié) 論

隨著鐵路建設重心向中西部轉(zhuǎn)移，對鐵路設計提出了更高的要求[10]。傳統(tǒng)工點勘察模式在繁重的勘察任務、高標準的質(zhì)量要求和工程周期面前面臨很大挑戰(zhàn)。

地面激光雷達技術作為一種快速、準確、經(jīng)濟的測量方法[11]，能有效克服困難復雜地區(qū)工點勘察高精度三維地形數(shù)據(jù)獲取的難題[12]，可生產(chǎn)鐵路工點設計所需的橫縱斷面、地形圖，提取不良地質(zhì)信息。

工程實踐應用表明，基于地面激光雷達技術的工點勘察方法可有效提高安全系數(shù)和成果質(zhì)量，降低外業(yè)工作強度，大幅提高工作效率。