張銀虎 李 旭 王 磊

(1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055;2.上海三點測繪公司,上海 200331)

1 概述

在跨座式單軌交通工程中,軌道梁既是承重構(gòu)件,又是引導(dǎo)單軌列車運行的軌道[1-2]。作為單軌列車的運行基礎(chǔ),架設(shè)完成后的軌道梁應(yīng)連接成連續(xù)、平直、圓順的線路[3-4],以確保列車的安全平穩(wěn)運行。依據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范以及軌道梁設(shè)計要求,軌道梁架設(shè)完成后及試運行期間,需對成橋后的軌道梁進行線形檢測和分析評價[4]?，F(xiàn)有的軌道梁線形檢測方法主要采用水準(zhǔn)儀、全站儀、水平尺、檢測尺等常規(guī)測量設(shè)備,在作業(yè)效率、測量精度及檢測全面性等方面存在不足。

三維激光掃描技術(shù)作為一種集成多種高新測繪技術(shù)于一體的新型綜合測量技術(shù),具有測量速度快、指向精度高、點云空間密度大等特點[5]。相較于傳統(tǒng)的測量技術(shù)手段,三維激光掃描技術(shù)采用非接觸掃描目標(biāo)的方式進行測量,能夠快速、連續(xù)、自動地采集物體表面的三維數(shù)據(jù)信息(點云數(shù)據(jù))[6],已廣泛應(yīng)用于市政工程測量、文物保護、隧道結(jié)構(gòu)檢測等工程中。張立偉等采用三維激光掃描技術(shù)進行古建筑三維數(shù)據(jù)采集及立面圖制作[7];臧偉等基于三維激光掃描技術(shù)在道路測量、三維建模等進行探索[8];汪玉華等采用三維激光掃描技術(shù),對盾構(gòu)管片模具檢測中的關(guān)鍵技術(shù)進行研究[9-10]。

對于跨座式單軌交通工程,文強等提出一種基于圖像處理的單軌交通PC 軌道梁邊緣檢測方法[11];李小果等展開軌道梁生產(chǎn)和驗收測量方法研究[12];魏德豪等進行基于CCD 圖像分析的空軌軌道梁表面缺陷檢測技術(shù)探索[13]。結(jié)合跨座式單軌交通工程軌道梁設(shè)計和施工特點,提出一種基于三維激光掃描技術(shù)的軌道梁橋線形檢測方法,主要技術(shù)路線如下。

(1)基于既有軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng),利用智能型全站儀采用自由測站邊角交會測量的方法建立軌道梁線形檢測控制網(wǎng)[14]。

(2)采用Trimble SX10 高精度三維激光掃描儀,利用軌道梁線形檢測控制網(wǎng)進行邊角交會自由設(shè)站,對成橋后的軌道梁進行三維掃描,獲取軌道梁的三維點云數(shù)據(jù)。

(3)采用研發(fā)的跨座式單軌交通軌道梁檢測分析軟件,計算軌道梁檢測斷面及檢測點的三維坐標(biāo),并結(jié)合軌道梁線形設(shè)計參數(shù),對軌道梁走行面、導(dǎo)向面、穩(wěn)定面線形進行檢測分析與評價。

2 線形檢測控制網(wǎng)測量

軌道梁線形檢測作業(yè)前,需布設(shè)線形檢測控制網(wǎng),以滿足對軌道梁進行三維點云數(shù)據(jù)采集的需要。

2.1 控制網(wǎng)布設(shè)

線形檢測控制網(wǎng)包括線下線形檢測控制網(wǎng)和線上線形檢測控制網(wǎng),線下線形檢測控制網(wǎng)采用既有軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)[15],線上線形檢測控制網(wǎng)需利用既有軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)進行加密測量。

線上線形檢測控制點一般布設(shè)在軌道梁頂面,每1～2 片梁布設(shè)1 點,并在現(xiàn)場設(shè)置“+”字點位標(biāo)記及標(biāo)注點號。

2.2 控制網(wǎng)測量

線上線形檢測控制網(wǎng)以既有軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)為起算,采用智能型全站儀配合專業(yè)數(shù)據(jù)采集軟件進行測量。

在線形檢測控制點上架設(shè)專用精密測量基座及測量棱鏡,如圖1 所示。在線下架設(shè)全站儀,以軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)為起算,采用自由設(shè)站后方交會的方法進行全站儀設(shè)站,觀測控制點不少于4 個。

圖1 專用精密測量基座及棱鏡

全站儀設(shè)站完成后,采用多測回邊角測量法或極坐標(biāo)法進行線形檢測控制點平面測量,采用精密三角高程測量法進行線形檢測控制點高程測量。

為保證線形檢測控制點測量精度,每次自由設(shè)站應(yīng)觀測不少于4 個線形檢測控制點,相鄰設(shè)站間應(yīng)搭接2 個線形檢測控制點進行精度檢核,重復(fù)測量坐標(biāo)及高程較差應(yīng)≤±2 mm。

3 軌道梁三維點云數(shù)據(jù)采集

基于軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)和線上線形檢測控制網(wǎng),采用Trimble SX10 高精度三維激光掃描儀,進行邊角交會自由設(shè)站,分別對成橋后軌道梁的頂面及內(nèi)外兩側(cè)面進行三維掃描,以獲取軌道梁的三維點云數(shù)據(jù)。

Trimble SX10 三維激光掃描儀是一款全站型三維激光掃描儀,集測量、攝像和高速三維掃描于一體,可以獲取高精度的三維點云數(shù)據(jù),主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

3.1 掃描儀自由設(shè)站

Trimble SX10 掃描儀自由設(shè)站采用機載定向軟件,通過觀測4 個以上的軌道梁基礎(chǔ)控制點或線上線形檢測控制點,依據(jù)控制點坐標(biāo)和邊角觀測數(shù)據(jù),可后方交會并計算出掃描儀置鏡點坐標(biāo),再進行掃描儀定向。

掃描儀自由設(shè)站精度執(zhí)行表2 的要求,設(shè)站完成后,應(yīng)對控制點坐標(biāo)進行檢核,不符值執(zhí)行表3 的要求。

表2 掃描儀自由設(shè)站精度要求 mm

表3 掃描儀自由設(shè)站控制點坐標(biāo)不符值要求

3.2 軌道梁三維點云數(shù)據(jù)采集

在線下架設(shè)掃描儀,利用線下軌道梁基礎(chǔ)控制網(wǎng)進行自由設(shè)站,對軌道梁外側(cè)面進行掃描作業(yè),每站宜掃描1～2 片梁。在線上疏散平臺架設(shè)掃描儀(需配置專用測量三角架),利用線上線形檢測控制網(wǎng)自由設(shè)站,對軌道梁頂面及內(nèi)側(cè)面進行掃描作業(yè),每站宜掃描1～2 片梁。軌道梁三維掃描作業(yè)如圖2 所示。

軌道梁三維激光掃描作業(yè)時,同時采集軌道梁全景影像數(shù)據(jù),以便于對三維點云進行賦色和后續(xù)計算分析,如圖3 所示。

圖3 軌道梁三維點云數(shù)據(jù)

4 軌道梁檢測點坐標(biāo)計算

獲取軌道梁的高密度三維點云數(shù)據(jù)后,需首先進行檢測斷面提取和檢測點坐標(biāo)計算等數(shù)據(jù)處理工作,以滿足后續(xù)軌道梁各檢測參數(shù)計算和線形分析的需要。

結(jié)合軌道梁結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)、軌道梁檢測內(nèi)容和精度要求,以及軌道梁檢測斷面、檢測點的布設(shè)原則,提出基于隨機抽樣一致性(random sample consensus,RANSAC)算法的軌道梁檢測斷面提取和檢測點坐標(biāo)計算方法[16],主要包括三維點云預(yù)處理、點云精處理、軌道梁斷面中心點坐標(biāo)計算與導(dǎo)入、斷面提取與檢測點坐標(biāo)計算、檢測點成果輸出等技術(shù)流程,如圖4 所示。

圖4 基于RANSAC 算法的檢測點坐標(biāo)計算流程

4.1 點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

軌道梁三維點云數(shù)據(jù)既包含軌道梁數(shù)據(jù),還包含接觸軌、緊急疏散通道、墩柱、樹木等其他點云數(shù)據(jù)。為提高數(shù)據(jù)處理精度和效率,需要對點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。

(1)點云數(shù)據(jù)刪除與分類

點云數(shù)據(jù)剔除是指剔除軌道梁之外的其他點云數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)分類是指使用 TRW (Trimble RealWorks)軟件的點云自動分類功能對原始點云數(shù)據(jù)進行分類,以提高點云剔除的工作效率。

(2)點云數(shù)據(jù)內(nèi)符合性精度檢查

作業(yè)時,通過對不同測站的點云賦不同顏色,量取不同測站獲取的同一位置點云在走行面上的豎向距離或在側(cè)面上的橫向距離差,并對點云數(shù)據(jù)的內(nèi)符合精度進行分析判斷。

(3)點云數(shù)據(jù)抽稀

由于測站附近的點云數(shù)據(jù)密度較其他地方稍高,為提高點云數(shù)據(jù)計算效率,需要對點云數(shù)據(jù)進行抽稀。

(4)點云數(shù)據(jù)輸出

點云數(shù)據(jù)預(yù)處理完成之后,輸出*.asc 格式的點云數(shù)據(jù),用于后續(xù)的軌道梁檢測斷面提取及檢測點坐標(biāo)計算工作。

預(yù)處理后的軌道梁三維點云數(shù)據(jù)如圖5 所示。

圖5 預(yù)處理后的軌道梁三維點云數(shù)據(jù)

4.2 點云數(shù)據(jù)精處理

對于預(yù)處理后的軌道梁點云數(shù)據(jù),需結(jié)合軌道梁檢測斷面和檢測點布設(shè)原則進行點云分段和邊界參數(shù)計算等精處理。

(1)點云分段

為了提高處理點云的效率,根據(jù)輸入點云的長度,將點云等間距劃分成多個段落并保存到相應(yīng)的*.BYT 文件中。

(2)邊界線參數(shù)計算

利用RANSAC 算法,對分段后的每一段點云進行邊界線參數(shù)計算,求解邊界線方程。邊界線方程求解方法有兩種:①通過求解Z坐標(biāo)均值截取斷面點計算邊界線方程;②通過求解梁前后面任一面方程(降維為線方程)。

4.3 檢測點坐標(biāo)計算

依據(jù)分段后的軌道梁三維點云數(shù)據(jù)以及檢測斷面中心點設(shè)計里程或設(shè)計坐標(biāo),進行軌道梁檢測點坐標(biāo)計算。

(1)軌道梁檢測點布設(shè)原則

軌道梁檢測點沿線路走向按斷面進行布設(shè),每個檢測斷面布設(shè)7 個檢測點,軌道梁頂面布設(shè)3 個點及內(nèi)外側(cè)面分別布設(shè)2 個點,即中線點以及車輪與軌道梁的接觸點,如圖6 所示。

圖6 軌道梁線形檢測斷面中檢測點布設(shè)

(2)檢測斷面邊界模型計算

根據(jù)斷面中心點坐標(biāo)及斷面厚度值,采用RANSAC 算法進行中心點附近的邊界線方程計算,獲得更貼近中心點的邊界線模型。

根據(jù)斷面邊界線模型,按照輸入的斷面點云厚度值,提取斷面點云,并將點云分成上面、前面和后面點。

(3)建立標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系

采用RANSAC 算法,進行檢測斷面點云上面、前面、后面點的平面模型擬合。計算時重復(fù)1 000 次抽取點云中3 個點,計算其對應(yīng)的平面方程及平面包含點數(shù),選取包含最多點的面為計算平面。

定義斷面中心點為原點,定義前后方向X軸、行進方向為Y軸、天頂方向為Z軸,建立標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系。

(4)斷面線擬合

根據(jù)提取的斷面點,采用含粗差探測的最小二乘法進行斷面上邊界線、前邊界線及后邊界線的擬合計算,如圖7 所示。

圖7 斷面線擬合計算

(5)檢測點坐標(biāo)計算與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

按照圖6 中斷面檢測點的布點間距,擬合計算檢測點在斷面線上的坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù),如圖8 所示。

圖8 檢測點坐標(biāo)計算(紅色為計算采用點云)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系與測量坐標(biāo)系的相對關(guān)系,將檢測點的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為測量坐標(biāo)系坐標(biāo),并采用按斷面和按點屬性兩種方式輸出檢測點坐標(biāo)成果文件。

5 軌道梁線形分析

利用軌道梁各個檢測斷面上7 個檢測點的坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù),并結(jié)合軌道梁設(shè)計參數(shù),采用研發(fā)的“跨座式單軌交通軌道梁檢測分析軟件(STMB_DAS)”,對軌道梁線形進行檢測分析。

軌道梁線形分析內(nèi)容一般包括線路中線偏差、高程偏差、線間距、工作面線形、工作面縱向平整度、平面線形矢高、豎向線形矢高、軌道梁側(cè)面距離中心的偏差、梁端軌面橫坡、走行面垂直度等內(nèi)容。

(1)設(shè)計數(shù)據(jù)輸入

在計算檢測點各項偏差前,需要先后輸入線路平曲線設(shè)計文件、豎曲線設(shè)計文件、軌道梁設(shè)計參數(shù)(變形上供值)等。

(2)檢測參數(shù)設(shè)置與線形分析

檢測分析前,需進行軌道梁參數(shù)及限差設(shè)置,如圖9 所示。結(jié)合軌道梁設(shè)計參數(shù)以及檢測點坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù),對軌道梁線形進行處理分析,輸出線形檢測分析成果文件。

圖9 軌道梁線形檢測參數(shù)設(shè)置

6 應(yīng)用案例

選擇蕪湖軌道交通1 號線文津東路—珩瑯山路站區(qū)間DK26+979～DK27+115 段,開展基于三維激光掃描技術(shù)的軌道梁線形檢測方法應(yīng)用測試。

(1)線路概況

本區(qū)段線路近似南北走向,長136 m,全部為高架橋梁。試驗段共包括10 榀軌道梁,均為簡支PC 軌道梁,如圖10 所示。其中,Z222-59、Z222-60 及Y222-59、Y222-60 均為曲線梁,且包含半徑3 000 m 的凹豎曲線。

圖10 DK26+979～DK27+115 段軌道梁立面(高程單位:m;其余:mm)

本段軌道梁架設(shè)及調(diào)整工作已基本完成,正在開展后續(xù)車站工程施工、維修通道及疏散平臺安裝工作。

(2)軌道梁線形檢測作業(yè)

分別采用常規(guī)全站儀法和三維激光掃描方法進行軌道梁線形檢測。

常規(guī)全站儀法軌道梁線形檢測采用Leica TS60 智能型全站儀,其測角精度為0.5″,測距精度為0.6 mm+1×10-6D。利用線上線形檢測控制網(wǎng),進行全站儀自由設(shè)站,然后采用坐標(biāo)法對每個檢測斷面進行測量,進而對軌道梁線形進行檢測分析。由于左右梁間需安裝維修通道和疏散平臺,軌道梁外側(cè)無輔助作業(yè)平臺,且軌道梁內(nèi)側(cè)需安裝接觸軌,故常規(guī)全站儀法只能進行軌道梁走行面(頂面)的線形檢測。

軌道梁三維點云數(shù)據(jù)采集采用Trimble SX10 高精度三維激光掃描儀,其測量精度如表1 所示。采用線下掃描軌道梁外側(cè)面、線上掃描軌道梁頂面及內(nèi)側(cè)面的作業(yè)方案。

表1 Trimble SX10 三維激光掃描儀技術(shù)參數(shù)

采用“跨座式單軌交通軌道梁檢測分析軟件(STMB_DAS)”進行軌道梁三維點云數(shù)據(jù)處理、檢測點坐標(biāo)計算,并結(jié)合軌道梁設(shè)計參數(shù)進行軌道梁線形分析。

(3)檢測數(shù)據(jù)對比分析

本段右線軌道梁共布設(shè)103 個檢測斷面、309 個檢測點,左線軌道梁共布設(shè)66 個檢測斷面、198 個檢測點。

對基于三維掃描技術(shù)的軌道梁線形檢測方法與常規(guī)全站儀方法進行中線偏差、高程偏差以及軌道梁平面、高程線形檢測數(shù)據(jù)對比分析,結(jié)果如表4～表6 及圖11～圖14 所示。

圖14 左線軌道梁走行面縱向平整度(20 m 弦)檢測較差統(tǒng)計

表4 三維掃描方法與常規(guī)方法檢測數(shù)據(jù)較差統(tǒng)計(絕對位置偏差)

表5 三維掃描方法與常規(guī)方法檢測數(shù)據(jù)較差統(tǒng)計(平面線形)

表6 三維掃描方法與常規(guī)方法檢測數(shù)據(jù)較差統(tǒng)計(豎向線形)

圖11 左線軌道梁中線偏差檢測較差統(tǒng)計

圖12 左線軌道梁高程偏差檢測較差統(tǒng)計

基于三維掃描技術(shù)的軌道梁線形檢測方法與常規(guī)全站儀方法對比分析統(tǒng)計結(jié)果如下。

圖13 左線軌道梁縱向線形(20 m 弦)檢測較差統(tǒng)計

①兩種方法左右線軌道梁中線偏差較差的平均值分別為0.1 mm、-1.8 mm,計算三維掃描方法軌道梁中線檢測中誤差為1.9 mm(左線)、2.4 mm(右線)。

②兩種方法左右線高程偏差較差的平均值均≤±2.3 mm,三維掃描方法軌道梁高程檢測中誤差為1.8 mm(左線)、2.4 mm(右線)。

③兩種方法左右線軌道梁平面線形檢測較差的平均值均≤±0.9 mm,計算三維掃描方法各項平面線形檢測中誤差均≤1.9 mm。

④兩種方法左右線豎向(高程)線形檢測較差平均值均≤1.1 mm,三維掃描方法各項豎向(高程)檢測中誤差均≤1.5 mm。

通過對檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,采用三維掃描技術(shù)的軌道梁線形檢測方法,其平面、高程絕對位置檢測精度及軌道梁線形檢測精度均能夠滿足《跨座試單軌交通施工及驗收規(guī)范》及《城市軌道交通工程測量規(guī)范》中“測量誤差≤1/2 允許偏差”的技術(shù)要求。

7 結(jié)語

結(jié)合國內(nèi)跨座式單軌交通工程建設(shè)需求,針對常規(guī)檢測方法存在的作業(yè)效率低、測量精度差、數(shù)據(jù)全面性不足等問題。為提高單軌工程軌道梁的線形平順性,提出一種基于三維激光掃描技術(shù)的軌道梁線形檢測方法。通過實際工程應(yīng)用測試,軌道梁中線、高程偏差以及平面、高程(豎向)線形檢測精度均能夠符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求。三維激光掃描技術(shù)具有測量速度快、指向精度高、點云空間密度大的特點,相較于常規(guī)檢測方法,基于三維激光掃描技術(shù)的軌道梁線形檢測方法具有儀器設(shè)備和作業(yè)人員投入少、作業(yè)效率高、檢測數(shù)據(jù)全面、非接觸測量作業(yè)模式安全性高等明顯的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢。