周玉輝

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司， 成都 610031)

鐵路運輸是我國目前客運、貨運主要的運輸方式。截至2017年底，我國鐵路營業(yè)里程已達(dá)12.7×104km，其中高速鐵路2.5×104km。根據(jù)2016年修編的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，到2025年，我國高速鐵路通車?yán)锍虒⑦_(dá)到3.8×104km，并形成“八縱八橫”的高速鐵路網(wǎng)[1]。隨著大量新建高速鐵路的施工及投入運營一些線路病害逐漸顯現(xiàn)出來，如隧道底板隆起、隧道變形、路基沉降、橋梁位移等。因此，在一定周期內(nèi)需對高速鐵路施工現(xiàn)場或運營線路進行快速、長期的監(jiān)測，如何在有限的人力、物力資源條件下提高測量技術(shù)水平，提高工作效率、確保工程質(zhì)量就顯得十分必要。

基于此，中鐵二院開展了基于慣導(dǎo)三維激光掃描移動測量系統(tǒng)在鐵路工程上的應(yīng)用研究。研究表明：①采用三維激光移動掃描可快速獲取施工周圍環(huán)境及運營線路高密度、高精度的點云數(shù)據(jù)，在高速鐵路施工中可進行構(gòu)筑物的變形監(jiān)測[2-3]。②隨著車載移動測量在公路、市政工程及城市管理上應(yīng)用的逐漸普及并取得了一定的進展，三維激光掃描測量技術(shù)應(yīng)用在鐵路工程及運營管理上成為可能。③隨著移動測量設(shè)備完善及精度的提高，在鋪軌后可采用三維激光掃描移動測量系統(tǒng)快速進行隧道、橋梁及路基的監(jiān)測及運營維護管理，為高速鐵路施工及運營維護提供了一種高效率、高精度的測量手段。

1 三維激光掃描移動測量系統(tǒng)

基于慣導(dǎo)的三維激光掃描移動測量系統(tǒng)采用三維激光掃描技術(shù)、GPS/IMU組合導(dǎo)航(POS)定位定姿技術(shù)、多傳感器集成移動測量技術(shù)等進行系統(tǒng)集成，以列車、汽車或軌道小車為載體，進行快速三維激光掃描，獲取施工現(xiàn)場、運營鐵路軌道及附屬設(shè)施的高精度點云數(shù)據(jù)，通過一系列的后處理運算后，得到更加精確、有效、完整的施工現(xiàn)場構(gòu)筑物及運營鐵路的相關(guān)信息。

1.1 三維激光掃描移動測量系統(tǒng)組成

鐵路三維激光掃描移動測量系統(tǒng)以列車或軌道小車作為測量平臺，系統(tǒng)共分為4個主要控制系統(tǒng)單元。

(1)電源管理單元：對整套系統(tǒng)進行供電及相應(yīng)的電路保護，從而保證系統(tǒng)的正常工作。

(2)同步控制單元：通過電路控制將所有傳感器進行同步數(shù)據(jù)采集，并將采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至存儲系統(tǒng)中。

(3)數(shù)據(jù)采集單元：利用三維激光掃描、GPS/IMU組合導(dǎo)航(POS)定位定姿等技術(shù)獲取鐵路工程各種構(gòu)筑物的各種相關(guān)信息，主要包括點云數(shù)據(jù)、全景影像、空間位置和姿態(tài)信息等。

(4)軟件處理單元：針對采集回來的數(shù)據(jù)進行分析，包括平面坐標(biāo)以及高程系統(tǒng)的處理分析。對于平面坐標(biāo)，采用常規(guī)高程面模型投影解算出的點云必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)钠揭?，才能轉(zhuǎn)換到軌道高程投影模型下，進而最大限度控制投影帶來的長度變形；高程系統(tǒng)基于的則是水準(zhǔn)高系統(tǒng)，通過一定的算法將實測的大地高轉(zhuǎn)換成水準(zhǔn)高，得到高精度的點云成果數(shù)據(jù)并可快速瀏覽[4]。

測量系統(tǒng)集成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)集成框架圖

1.2 三維激光掃描移動測量的技術(shù)優(yōu)勢

(1)三維激光掃描移動測量是基于三維激光掃描、慣性測量與GNSS定位技術(shù)的軌道高精度三維激光點云和高分辨率全景影響數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

(2)系統(tǒng)將控制網(wǎng)坐標(biāo)動態(tài)傳遞到POS測量系統(tǒng)，采用聯(lián)合解算方法，滿足弱GPS信號甚至無GPS情況下絕對測量精度的提高，實現(xiàn)高速鐵路軌道快速、自動、連續(xù)、無縫、高精度定位定姿測量。

(3)通過點云數(shù)據(jù)可以提取既有線中線里程、中線坐標(biāo)、軌面高程、路基斷面、地形地物點資料。

(4)利用360°全景影像及點云效果圖的真實、可視化優(yōu)勢，進行既有線路的路基病害、線路設(shè)施、跨線凈空資料調(diào)查[5]，提高既有線勘測與調(diào)繪的準(zhǔn)確性、完整性。

(5)采用三維激光掃描移動測量技術(shù)改進了鐵路既有線現(xiàn)狀測量方法；減少作業(yè)流程及時間，提高了作業(yè)效率；減少與運營列車的相互干擾，確保測量人員、設(shè)備及運營的安全。

2 高速鐵路軌道數(shù)據(jù)測量

2.1 測試過程

重慶至貴陽高速鐵路(簡稱渝黔高鐵)，從重慶站引出，經(jīng)綦江、桐梓、遵義、息烽，終點至貴陽北站，線路全長347 km，設(shè)計速度250 km/h。渝黔線設(shè)計施工過程已沿線建立了完備CPO、CPⅠ、CPⅠ及CPⅢ平面高程控制網(wǎng)，測試時采用渝黔線高精度CPⅡ控制點作為基站主控點，CPⅢ作為平面高程加密約束點，CPⅢ約束點在鐵路兩側(cè)布置，點間距離約60 m，布置在路基、橋梁、隧道兩側(cè)[6]。

為了保證CPⅢ控制點順利融入系統(tǒng)，特別設(shè)計了專用靶標(biāo)實現(xiàn)CPⅢ約束點數(shù)據(jù)采集。

(1)利用施工加密CPⅡ點作為基站約束控制點。CPⅡ約束點坐標(biāo)高程資料如表1所示。

表1 CPⅡ約束點坐標(biāo)高程表

(2)充分利用沿線已有CPⅡ及CPⅢ控制網(wǎng)進行靶標(biāo)布設(shè)，CPⅡ控制點作為基站，CPⅢ控制網(wǎng)按照60 m左右間隔在鐵路兩側(cè)布設(shè)成對靶標(biāo)，相鄰兩個靶標(biāo)布設(shè)在鐵路的不同側(cè)。靶標(biāo)可以沿CPⅢ控制網(wǎng)依次不間斷進行布設(shè)，后續(xù)為測試不同靶標(biāo)密度(間距)對精度的影響再選取不同密度的靶標(biāo)進行融合解算。

2.1.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

本次測試同步進行標(biāo)靶布設(shè)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，標(biāo)靶布設(shè)需要配備4人(分2組進行靶標(biāo)安裝和拆卸傳遞)，移動測量系統(tǒng)儀器操作員1人。CPⅢ約束點布置及數(shù)據(jù)采集如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集

2.2 掃描數(shù)據(jù)處理

外業(yè)現(xiàn)場掃描完成后，立即實施內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，并對數(shù)據(jù)處理過程中的關(guān)鍵指標(biāo)進行了質(zhì)量控制。

(1)航跡解算

掃描完成后，利用車載激光掃描儀上的GPS數(shù)據(jù)與同步的地面基站數(shù)據(jù)進行差分，聯(lián)合高精度激光慣導(dǎo)及里程編碼器數(shù)據(jù)融合解算出高精度的航跡文件。

加強行政監(jiān)管。堅持“專人包片、領(lǐng)導(dǎo)督辦”，強化農(nóng)村飲水安全督導(dǎo)檢查考核機制，以督查促進整改，以考核倒逼加壓，確保各項工作真落地、見實效。2017年，重點對脫貧縣和深度貧困縣開展了聯(lián)合督察，對全省進行了考核評估。今年8月，對43個未脫貧縣開展農(nóng)村飲水安全督導(dǎo)檢查。

(2)設(shè)備自檢校

自檢校過程主要包括設(shè)備系統(tǒng)標(biāo)定，內(nèi)部設(shè)備精度檢校。

(3)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)融合糾偏解算

完成以上工作后，即可進行數(shù)據(jù)解算，融合得到初步激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。之后利用現(xiàn)場采集到的控制點進行點云高程改正，得到最終點云數(shù)據(jù)。

2.3 基于控制點約束校正的精度改善試驗與分析

為提高三維激光掃描移動測量系統(tǒng)獲取的三維激光點云數(shù)據(jù)的精度，探索利用鐵路控制網(wǎng)(CPⅡ、CPⅢ)進行激光點云精度改正需要的控制點的密度，根據(jù)靶標(biāo)間距不同的2段，分別進行了精度改善實驗對比分析。

2.3.1 平面高程約束點精度統(tǒng)計

(1)間距為800 m的CPⅢ點作為約束點，其他CPⅢ點作為驗證點的精度統(tǒng)計。精度驗證報告如表2所示。

由表2可知，當(dāng)采用間距為800 m的CPⅡ作為約束點時，其大部分測試點的精度均<1 cm，個別單點平面高程精度<2 cm；，但其平面及高程標(biāo)準(zhǔn)差均<1 cm，滿足既有普速鐵路快速高精度檢測與測量的精度要求[7]。

(2)將測段內(nèi)所有CPⅢ點作為約束點，其精度驗證報告如表3所示。

由表3可知，在測段范圍內(nèi)，將所有CPⅢ點作為約束點時，其單點平面精度<1 cm；其高程精度<1 cm，滿足高速鐵路工程測量規(guī)范的精度要求[6]。

2.3.2 軌面高程提取精度統(tǒng)計

在測段范圍內(nèi)，采用電子水準(zhǔn)儀對軌面高程進行水準(zhǔn)測量，與采用不同CPⅢ間距約束點計算提取的軌面高程進行對比，其軌面高程對比精度報告如表4所示。

由表4可知，約束點的精度越高，點云數(shù)據(jù)精度越高，在一般既有線上測量時，若沒有CPⅢ點，可以用既有線外移樁點作為約束點進行融合約束計算，其成果資料滿足鐵路既有線測量“既有鋼軌面高程檢測限差不應(yīng)大于20 mm”的要求[7]。

表2 渝黔線約束點精度驗證報告

表3 渝黔線約束點精度驗證報告

表4 渝黔線軌面高程精度報告

3 鐵路大修軌道數(shù)據(jù)測量

3.1 項目簡介

(1)項目概況：該項目是成都鐵路局成都工務(wù)段年度大修任務(wù)，由中鐵二院測繪院、工務(wù)段聯(lián)合作業(yè)，采用移動式三維激光測量系統(tǒng)進行既有線現(xiàn)狀測量工作，取得了良好的效果。

(2)項目地點：成都市青白江區(qū)、廣漢市、彭州市。

(3)項目范圍：由青白江區(qū)至彭縣段約32 km的既有線三維掃描生產(chǎn)。

3.2 約束點布置

(1)全段主控點4個，所有約束點平面采用四等GPS靜態(tài)測量，高程采用四等水準(zhǔn)測量，并盡量與成九線的平面高程控制點聯(lián)測。

(2)在K 0+000～K 32+000段，沿線路兩側(cè)分別布置平面高程約束點；點間距離500 m左右，一側(cè)編號為GP-*作為靶標(biāo)約束點，另外一側(cè)編號為TP-*作為樁面約束點(不架設(shè)標(biāo)靶)。

(3)約束點盡量在橋涵帽石上標(biāo)注(并刻+絲)，也可采用木質(zhì)方樁(中心釘鋼釘，方樁宜高出地面5 cm，便于掃描)。

(4)在布置約束點時確保掃描儀能夠清晰掃描到約束點，約束點周圍應(yīng)用紅白油漆相間涂抹。約束點布置如圖3所示。

圖3 約束點布置

3.3 數(shù)據(jù)采集

(1)K 0+000～K 32+000段，由測量人員進行中線里程測量(在鋼軌上標(biāo)注)及軌面高程測量(左右軌分別測量)，測量數(shù)據(jù)作為對比數(shù)據(jù)使用。

(2)從青白江車站，以列車為載體，將移動掃描設(shè)備固定在列車頭部，以30 km/h的速度進行數(shù)據(jù)移動掃描采集，移動掃描數(shù)據(jù)采集如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

3.4 數(shù)據(jù)處理

3.4.1 點云數(shù)據(jù)處理

外業(yè)現(xiàn)場掃描完成后，立即實施內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，并對數(shù)據(jù)處理過程中的關(guān)鍵指標(biāo)進行了質(zhì)量控制。掃描完成后，立即進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，并對數(shù)據(jù)處理過程中的關(guān)鍵指標(biāo)進行了質(zhì)量控制。

(1) 航跡解算

掃描完成后，利用車載激光掃描儀上的GPS數(shù)據(jù)與同步的地面基站數(shù)據(jù)進行差分，解算出高精度的航跡文件。

(2)設(shè)備自檢校

自檢校過程主要包括設(shè)備系統(tǒng)標(biāo)定，內(nèi)部設(shè)備精度檢校。

(3)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)融合糾偏解算

完成以上工作后，即可進行數(shù)據(jù)解算，融合得到初步激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。之后利用現(xiàn)場采集到的控制點進行點云高程改正，得到最終點云數(shù)據(jù)。

3.4.2 約束點平面高程精度

采用約束點約束融合計算后，再次提取各個約束點的平面坐標(biāo)及高程精度驗證報告，如表5所示。

3.4.3 里程中心線的準(zhǔn)確提取

確定起點里程K 0+000的平面坐標(biāo)，計算起點里程對于鐵路來說是最為重要的一個參數(shù)指標(biāo)，后續(xù)所有的輸出成果均是基于此里程。需要通過軟件將車行軌跡準(zhǔn)確快速的提取出來，并進行編輯和修正。

3.5 大修設(shè)計測量資料

應(yīng)成都鐵路局工務(wù)檢測所要求，通過對高精度點云數(shù)據(jù)提取以下資料：(1)左右線軌面高程表；(2)中心線坐標(biāo)表(計算撥距)；(3)平面高程控制點資料。

4 在鐵路上的應(yīng)用

4.1 在施工階段的應(yīng)用

(1)隨著CCD傳感技術(shù)、視頻壓縮技術(shù)、圖像處理等技術(shù)的發(fā)展，計算機視頻測量技術(shù)越來越多地應(yīng)用于隧道限界檢測領(lǐng)域，限界檢測正在向更高速度、更高精度發(fā)展，利用高精度點云數(shù)提取隧道及其他構(gòu)筑物的特征點實現(xiàn)變形監(jiān)測，通過2次掃描點云數(shù)據(jù)，提取隧道及其他構(gòu)筑物的特征點數(shù)據(jù)，進行對比，判釋隧道及其他構(gòu)筑物是否變形或發(fā)生位移[3]。隧道變形監(jiān)測立面點布置如圖5所示。

圖5 隧道結(jié)構(gòu)立面監(jiān)測點布置圖

可根據(jù)不同時間段掃描的點云數(shù)據(jù)差值，開展隧道的監(jiān)測，可以根據(jù)這些差值進行構(gòu)筑物的平面位移、沉降值計算、隧道收斂值計算等。

(2)在施工過程中，可利用車載移動掃描設(shè)備，多路基面、路基邊坡及沉降觀測標(biāo)志等其他構(gòu)筑物進行移動掃描，根據(jù)點云數(shù)據(jù)，提取路基面高程，評價施工是否滿足設(shè)計要求；提取路基沉降觀測點，評判路基沉降參數(shù)。

表5 精度驗證報告

4.2 在運營線上的應(yīng)用

4.2.1 運營安全評估

(1)利用列車作為載體，采用移動三維激光掃描儀對運營鐵路線路進行快速掃描獲取高精度點云數(shù)據(jù)，通過軟件處理提取的鐵路中心線坐標(biāo)、軌面高程，實現(xiàn)左右軌道超高檢測。根據(jù)軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差值管理要求，判斷既有線左右軌的超高值是否滿足規(guī)范的要求[8]。

(2)根據(jù)提取的中線坐標(biāo)、橋梁擋砟墻特征點坐標(biāo)，計算鐵路鋪軌中心線與橋梁中心線的差值，判斷既有線橋梁偏心值是否滿足規(guī)范的要求。橋梁中心線與鋪軌中心線偏差如圖6所示。

圖6 橋面結(jié)構(gòu)立面圖(cm)

(3)利用兩次掃描點高精度云數(shù)據(jù)提取接觸網(wǎng)吊柱的進行對比，判斷隧道及接觸網(wǎng)吊柱是否變形或發(fā)生位移，經(jīng)計算，若接觸網(wǎng)基座松動1 mm，調(diào)柱下端將產(chǎn)生12.6 mm的平面位移，因此利用高精度云數(shù)據(jù)很容易對接觸網(wǎng)吊柱變形進行判斷，從而進行必要的維護，消除安全隱患。接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖(mm)

(4)利用高精度點云數(shù)據(jù)提取沿線設(shè)備進行設(shè)備臺賬管理。

4.2.2 工務(wù)大修設(shè)計

利用高精度點云數(shù)可以提取既有線中線里程、中線坐標(biāo)、軌面高程、路基斷面、地形地物點資料用于既有線鐵路勘測設(shè)計及工務(wù)大修設(shè)計。

5 結(jié)論

(1)在高速鐵路勘測設(shè)計施工中，采用基于軌道車平臺的三維激光掃描移動測量技術(shù)裝備和軟件處理系統(tǒng)，利用CPⅢ平面高程控制點作為約束點進行計算得出其平面絕對精度<1 cm，其高程絕對精度<1 cm，滿足高速鐵路規(guī)范要求。該技術(shù)是一種全新的測量技術(shù)和方法，在高速鐵路工程上應(yīng)用將顯著提升我國高速鐵路建設(shè)及運營測量技術(shù)水平。

(2)在既有線改建工程及大修勘測設(shè)計中，采用基于列車或平板車平臺的三維激光掃描移動測量技術(shù)裝備和軟件處理系統(tǒng)，通過約束點間距為400～600 m(相當(dāng)于CPⅡ間距)及時速4～6 km/h的軌道小車與時速30 km/h的火車平板車進行移動掃描的精度驗證。計算得出其平面絕對精度<2 cm，其高程絕對精度<1 cm，滿足《改建鐵路工程測量規(guī)范》要求。在既有線改建工程、大修設(shè)計及運營中應(yīng)用該系統(tǒng)，能快速、安全獲取既有鐵路測量數(shù)據(jù)，大大提高勘測設(shè)計及運營管理水平。