徐殿成

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

在鐵路勘察設(shè)計(jì)中，里程丈量、中線測量、高程測量、橫斷面測量、地形測量等現(xiàn)狀測量工作，是鐵路養(yǎng)護(hù)維修、既有線改建及二線增建的重要環(huán)節(jié)[1]。 目前，在涉及既有鐵路營業(yè)線的勘測工作中，一般是利用鐵路部門給定的天窗時(shí)間，測量人員使用GNSS-RTK、全站儀、絕緣尺等儀器設(shè)備，現(xiàn)場采集外業(yè)數(shù)據(jù)。 這種基于單點(diǎn)采集的傳統(tǒng)測量方法，不僅施測困難，而且存在申報(bào)流程慢、運(yùn)營干擾大、安全風(fēng)險(xiǎn)高、作業(yè)周期長、成本支出大等缺點(diǎn)。

地面三維激光掃描技術(shù)是測繪領(lǐng)域一項(xiàng)革命性新技術(shù)。 該技術(shù)通過內(nèi)置伺服驅(qū)動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)精密控制多面掃描棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行掃描，采用逆向三維采集和模型重構(gòu)，精確獲取掃描點(diǎn)三維坐標(biāo)[2]。

地面激光掃描儀具有高精度、高效率、無接觸等眾多優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于既有營業(yè)線測量。 已有許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，周文明等研究如何快速提取鐵路地形圖[3]，黃明等對(duì)多像位姿估計(jì)的全景紋理映射算法進(jìn)行研究[4]，徐進(jìn)軍等對(duì)地面三維激光掃描儀的現(xiàn)狀與發(fā)展進(jìn)行了歸納[5]。

上述研究均取得了一定的成果，但鐵路既有線作業(yè)過程易受既有鐵路營業(yè)線周邊附屬圍墻、柵欄、房屋、樹木等遮擋物的影響，制作的地形圖難以達(dá)到預(yù)期的效果。 因此，研制專門的升降平臺(tái)很有必要。 與此同時(shí)，在試驗(yàn)過程中通過設(shè)置不同的掃描半徑和測站間距，用來研究分析地面激光掃描儀的最佳掃描半徑，以提高測量精度[6]。

1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集及成果輸出

1.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

通過氣壓式升降平臺(tái)，將地面三維激光掃描儀(RIEGL VZ-1000)抬升至離地面5.0 m，一方面可有效克服圍墻、柵欄、房屋、樹木等遮擋物的影響，另一方面優(yōu)化掃描角度[7]，提高了既有鐵路相關(guān)特征要素的掃描效果，掃描儀架設(shè)如圖1 所示。

圖1 基于升降平臺(tái)的地面三維激光掃描儀架設(shè)

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用GNSS-RTK 采集掃描儀中心和標(biāo)靶中心的三維坐標(biāo)，通過REIGL 公司的RiSCAN PRO 軟件進(jìn)行絕對(duì)定向[8-9]，并分析定向精度[10-11]，該方法是利用2～3 個(gè)標(biāo)靶中心的絕對(duì)坐標(biāo)，使用后方交會(huì)法計(jì)算掃描儀中心的坐標(biāo)，該計(jì)算坐標(biāo)與采集坐標(biāo)進(jìn)行比較，進(jìn)而分析單站定向精度。 采用此方法，單站絕對(duì)定向精度能達(dá)到毫米級(jí)，可為多站數(shù)據(jù)配準(zhǔn)提供控制基礎(chǔ)。單站定向結(jié)束后，將數(shù)據(jù)輸出為通用的“?.las”格式。

1.3 成果輸出

利用TerraSolid 軟件，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、分類；通過數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理，提取軌面、砟肩、砟腳、路肩、坡腳、圍墻、接觸網(wǎng)桿、回流線等既有鐵路的勘測要素[12-13]，完成小范圍內(nèi)既有線的地形圖、橫斷面等勘測任務(wù)[14-15]。

配合GNSS-RTK 流動(dòng)站和定向標(biāo)靶，獲取激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其具體作業(yè)流程如圖2 所示。

圖2 基于升降平臺(tái)的地面三維激光掃描儀數(shù)據(jù)采集流程

2 實(shí)例分析

選擇天津某既有鐵路部分地段作為本次試驗(yàn)的場所，該鐵路為普速鐵路，其兩側(cè)樹木、附屬房屋較多，地勢坑洼不平，給選擇設(shè)站位置和設(shè)置標(biāo)靶帶來較大困難。 按外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)、標(biāo)靶中心坐標(biāo)等，然后通過濾波、定向、拼接、分類等內(nèi)業(yè)處理，得到試驗(yàn)場的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。 在該測量區(qū)域共架設(shè)5 個(gè)測站，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較分析，探討基于升降平臺(tái)的地面激光掃描技術(shù)的最優(yōu)設(shè)站間距，以及該技術(shù)的測量精度。

2.1 點(diǎn)云密度分析

本次既有線掃描試驗(yàn)采用的地面三維激光掃描儀(RIEGL VZ-1000)最大掃描距離可達(dá)1.4 km。 受其本身掃描特性的影響，隨著到測站中心的距離由近及遠(yuǎn)，單位面積內(nèi)有效的地面點(diǎn)云數(shù)量由多變少。

在試驗(yàn)中，給激光掃描儀設(shè)置一定掃描分辨率(橫向和縱向均為0.020 m)，分析到測站中心各種距離的單位面積(1.0 m2)內(nèi)激光點(diǎn)數(shù)量。 通過對(duì)多個(gè)掃描距離進(jìn)行對(duì)比分析可知，在測站掃描半徑75 m 范圍內(nèi)，單位面積內(nèi)的激光點(diǎn)云數(shù)量超過100 個(gè)，基本滿足既有線的測量要求(如圖3、圖4 所示)。

圖3 單位面積內(nèi)激光點(diǎn)云數(shù)量隨掃描距離的變化(0～50 m 范圍)

圖4 單位面積內(nèi)激光點(diǎn)云數(shù)量隨掃描距離的變化(50～175 m 范圍)

2.2 掃描精度分析

在本次既有線掃描試驗(yàn)中，利用GNSS-RTK 采集激光掃描儀安置位置(激光發(fā)射器中心)、2 ～3 個(gè)靶標(biāo)(靶心)的三維坐標(biāo)。 通過后方交會(huì)法，計(jì)算該測站的絕對(duì)定向參數(shù)，并分析定向精度。

由于三維激光掃描儀自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，距離測站中心越遠(yuǎn)，激光點(diǎn)云的間距越大，測量精度也越低。 既有線軌面點(diǎn)云高程值與RTK 檢核高程值差值的變化情況見表1。

表1 既有線軌面點(diǎn)云高程值與RTK 高程值差值對(duì)照m

從表1 多個(gè)測站的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析中可以看出，在掃描半徑175 m 之內(nèi)，激光點(diǎn)云高程值與RTK 高程值的最大差值為0.230 m，平均差值為0.085 m；而在掃描半徑75 m 之內(nèi)，激光點(diǎn)云高程與RTK 高程值的最大差值為0.07 m，平均差值為0.053 m。

2.3 拼接精度分析

相鄰不同測站的拼接有多種方式(特征點(diǎn)、靶標(biāo)等)。 在該試驗(yàn)中，采用GNSS-RTK 采集關(guān)鍵點(diǎn)三維坐標(biāo)拼接方式，即單個(gè)測站利用掃描儀中心和2 ～3 個(gè)靶標(biāo)(靶心)的三維坐標(biāo)進(jìn)行絕對(duì)定向后，直接完成相鄰測站的拼接工作。

在TerraSolid 軟件中將不同測站點(diǎn)云數(shù)據(jù)賦予不同的顏色，加載后，分析相鄰測站的拼接精度，如圖5 所示(深色和淺色，代表兩個(gè)不同的測站)。 通過比較測站間距不等的相鄰測站拼接的高程精度，分析該三維激光掃描儀最優(yōu)的掃描半徑，其拼接精度統(tǒng)計(jì)如表2 所示。

圖5 相鄰測站拼接示意(測站間距226.0 m)

表2 測站間距不等的相鄰測站拼接精度統(tǒng)計(jì) m

由表2 可知，當(dāng)相鄰測站間距為226.0 m 時(shí)，拼接精度為-0.07 m(B2 位置)；當(dāng)相鄰測站間距為156.7 m 時(shí)，拼接精度為0.04 m(B1 位置)。 綜合分析表1 和表2 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)測站掃描半徑不大于75 m時(shí)(測站間距150 m 左右)，基于升降平臺(tái)的三維激光掃描技術(shù)，可以滿足既有營業(yè)線的部分專項(xiàng)測繪要求。

3 結(jié)論

介紹了基于升降平臺(tái)的三維激光掃描技術(shù)，以及在既有營業(yè)線中的相關(guān)試驗(yàn)。 該技術(shù)的優(yōu)勢在于無需申請(qǐng)上線作業(yè)計(jì)劃，即可完成小范圍內(nèi)既有線的地形圖、橫斷面等勘測任務(wù)。 通過對(duì)VZ-1000 地面激光掃描儀的點(diǎn)云密度、掃描精度和拼接精度的分析，確定了其最優(yōu)的掃描半徑，為實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目提供了參考依據(jù)。