張邵華

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043）

0.引言

截至2021年底，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程突破15萬(wàn)km，其中高鐵超過(guò)4萬(wàn)km。一大批新建高速鐵路、城市地鐵、重載鐵路、高寒（原）鐵路等投入運(yùn)營(yíng)，需要投入大量人力物力開展病害調(diào)查、變形監(jiān)測(cè)、應(yīng)力測(cè)試等，以有效檢測(cè)病害信息、開展維護(hù)保養(yǎng)并確保運(yùn)輸安全。

傳統(tǒng)鐵路測(cè)量工作主要借助全站儀、水準(zhǔn)儀、GPS，用于施工測(cè)量、超欠挖檢測(cè)、竣工測(cè)量及隧道變形監(jiān)測(cè)等，但具有測(cè)量手段功能單一、人工測(cè)量工作繁雜效率低、觀測(cè)時(shí)段受限等缺點(diǎn)，不能滿足當(dāng)今高效率的隧道工程施工和高密度的鐵路運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作要求[1-3]。相對(duì)于傳統(tǒng)的散點(diǎn)式測(cè)量方式，三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)面立體交叉的空間測(cè)量模式，并且其外業(yè)采集方式為非接觸式，可快速全面地獲取鐵路狀態(tài)表征信息，使測(cè)量方式更加高效可靠，有助于保障測(cè)量人員的作業(yè)安全，滿足鐵路大規(guī)模運(yùn)營(yíng)、建設(shè)、規(guī)劃形勢(shì)下鐵路施工質(zhì)量和安全運(yùn)營(yíng)的高效、經(jīng)濟(jì)的技術(shù)保證要求[4-5]。

移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)主要由高精度三維激光傳感器模塊、高精度激光慣導(dǎo)模塊、定位導(dǎo)航模塊、高清全景影像模塊、同步控制模塊、電源模塊、嵌入式計(jì)算機(jī)等硬件構(gòu)成。通過(guò)系統(tǒng)集成控制各模塊協(xié)同工作，共同完成移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)三維地理采集工作[6]。

1.車載移動(dòng)掃描系統(tǒng)模塊

本單位自主搭載集成的鐵路移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)共分為4個(gè)主要單元，如圖1所示。

圖1 移動(dòng)掃描系統(tǒng)模塊構(gòu)成

（1）電源與管理模塊：對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行供電及相應(yīng)的電路保護(hù)，從而保證系統(tǒng)的正常工作。

（2）控制與存儲(chǔ)模塊：通過(guò)電路控制將所有傳感器進(jìn)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(chǔ)系統(tǒng)中。

（3）數(shù)據(jù)采集傳感器：利用各種傳感器，獲取物體的各種相關(guān)信息，主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)、全景影像、空間位置和姿態(tài)信息等。

（4）數(shù)據(jù)采集與融合SDK（含IE軟件）：包括激光數(shù)據(jù)、全景圖像采集以及GNSS/IMU/DMI數(shù)據(jù)采集SDK，以及針對(duì)采集原始數(shù)據(jù)進(jìn)行融合SDK模塊。

通過(guò)內(nèi)同步機(jī)制，同步采集三維激光掃描數(shù)據(jù)、全景影像數(shù)據(jù)、GPS/IMU/DMI原始數(shù)據(jù)，并進(jìn)行嚴(yán)格的時(shí)間同步和空間同步處理，完成多源數(shù)據(jù)融合，獲得帶絕對(duì)坐標(biāo)的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像軌跡數(shù)據(jù)，用于鐵路高精度工程測(cè)繪作業(yè)。

移動(dòng)測(cè)量多源數(shù)據(jù)融合主要指三維激光掃描的原始點(diǎn)信息經(jīng)POS系統(tǒng)獲取的定位定向參數(shù)轉(zhuǎn)換獲得三維空間點(diǎn)云的過(guò)程。POS系統(tǒng)獲取的定位定向數(shù)據(jù)，主要包含移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)載體上的流動(dòng)站GNSS數(shù)據(jù)、IMU慣性測(cè)量單元獲取的原始三軸加計(jì)和陀螺儀數(shù)據(jù)、DMI里程編碼器模塊獲取的里程累計(jì)輔助信息數(shù)據(jù)以及GNSS基站獲取的基準(zhǔn)站GNSS數(shù)據(jù)。POS系統(tǒng)獲取的原始定位定向數(shù)據(jù)，經(jīng)后差分緊耦合解算（GNSS弱信號(hào)段采用航位推算算法）獲得POS系統(tǒng)定位定向數(shù)據(jù)（即POS定位信息及姿態(tài)信息），如圖2所示。

圖2 GPS/IMU緊耦合結(jié)構(gòu)及信息流程圖

但在峽谷、隧道及樹木遮擋區(qū)，由于GNSS信號(hào)的遮擋等，會(huì)導(dǎo)致組合導(dǎo)航定位精度下降，為了保證最終測(cè)量的精度，需要在行車軌跡上布置靶標(biāo)控制網(wǎng)。基于鐵路控制網(wǎng)坐標(biāo)約束進(jìn)行組合導(dǎo)航系統(tǒng)誤差修正，在GNSS信號(hào)不良區(qū)域采用IMU/DMI為主的航位推算進(jìn)行定位定姿解算，根據(jù)誤差傳播規(guī)律引入控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行聯(lián)合解算，修正定位定姿誤差，以提高三維點(diǎn)云的精度[7-8]。

2.鐵路復(fù)測(cè)要素提取

將移動(dòng)掃描系統(tǒng)集成模塊搭載于可乘坐兩人的軌道小車上，時(shí)速可達(dá)到20km/h，以西部某鐵路提質(zhì)改造項(xiàng)目為例，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集示意圖如圖3所示，基于鐵路移動(dòng)掃描系統(tǒng)可采集獲得鐵路場(chǎng)景的三維點(diǎn)云及影像信息。在對(duì)多源數(shù)據(jù)融合處理，獲得高精度的三維點(diǎn)云后，可根據(jù)點(diǎn)云信息進(jìn)行線路測(cè)量，主要包括里程測(cè)量、中線測(cè)量、路基橫斷面測(cè)量、隧道橫斷面測(cè)量、站場(chǎng)測(cè)量、線路復(fù)測(cè)要素提取、曲線整正計(jì)算、地形圖更新測(cè)量等內(nèi)容[9-10]。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集示意圖

2.1 精度驗(yàn)證

利用鐵路沿線布設(shè)的高精度CPIII控制網(wǎng)標(biāo)靶，進(jìn)行POS優(yōu)化，對(duì)靶標(biāo)糾正前后的三維點(diǎn)云精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示，在靶標(biāo)糾正前，平面平均精度7.9cm，高程5.1cm；點(diǎn)云經(jīng)靶標(biāo)糾正后，點(diǎn)云平面平均精度1.8cm，高程1.1cm，滿足了鐵路復(fù)測(cè)中精度要求。

表1 靶標(biāo)糾正前后三維點(diǎn)云精度

2.2 軌道中心線提取

利用車載激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)融合生成的POS位置姿態(tài)信息數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)備自身標(biāo)定好的結(jié)構(gòu)信息參數(shù)通過(guò)算法自動(dòng)分類出軌道面點(diǎn)云。利用分類的軌面激光點(diǎn)云，構(gòu)建任意里程處橫斷面軌面中心坐標(biāo)系，將該軌面坐標(biāo)系下軌頂處點(diǎn)云按平面3cm，高程3cm空間進(jìn)行濾波處理，最終得到任意斷面軌頂點(diǎn)數(shù)據(jù)。根據(jù)模板匹配提取軌頂中心，并制定間距對(duì)軌頂點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，形成最終的精確軌面線，完成軌道中心線的自動(dòng)化提取，如圖4所示。

圖4 中心線提取示意圖

2.3 路基斷面提取

橫斷面圖是線路維修、技術(shù)改造時(shí)的設(shè)計(jì)、施工的重要依據(jù)。在既有線百米標(biāo)、地形變化處的加標(biāo)、擋土墻、護(hù)坡、路基病害處、平交道口、隧道洞口、涵管中心及橋臺(tái)等處均應(yīng)測(cè)繪橫斷面圖。測(cè)繪橫斷面時(shí)在軌頂、砟腳、砟肩、路肩、側(cè)溝、平臺(tái)和圍墻等處均應(yīng)測(cè)點(diǎn)。傳統(tǒng)的既有鐵路主要依靠人工方式進(jìn)行測(cè)量，這種測(cè)量方法對(duì)既有線干擾大，作業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)低。采用車載激光雷達(dá)技術(shù)獲取到既有線數(shù)據(jù)后，相當(dāng)于獲取了既有線上的全息信息，采用道格拉斯-皮克法算法，即完成橫斷面的提取，如圖5所示。

圖5 路基斷面提取示意圖

2.4 隧道斷面提取

隨著運(yùn)營(yíng)線路的老齡化以及周邊建筑、土體等擠壓導(dǎo)致隧道出現(xiàn)不同程度的變形，對(duì)隧道橫斷面進(jìn)行提取，分析隧道結(jié)構(gòu)、變形、接觸網(wǎng)、限界、超欠挖、襯砌厚度、拱頂下沉等測(cè)量成果，作為鐵路隧道建設(shè)紅線和風(fēng)險(xiǎn)管理的重要信息，可為施工期的質(zhì)量安全和運(yùn)營(yíng)期的維護(hù)提供決策輔助。對(duì)隧道橫斷面的提取，常采用等間隔斷面、指定里程斷面或指定坐標(biāo)3種方式提取，根據(jù)點(diǎn)云四叉樹、K-D樹等快速搜索算法定位到斷面范圍內(nèi)的點(diǎn)云，由指定的斷面間距、斷面厚度、角度間隔等完成三維斷面的提取，如圖6所示。

圖6 隧道斷面提取示意圖

3.結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于移動(dòng)三維激光技術(shù)的鐵路復(fù)測(cè)方法，并通過(guò)在鐵路軌道車上架設(shè)高精度移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)鐵路進(jìn)行連續(xù)掃描，實(shí)現(xiàn)鐵路全斷面數(shù)據(jù)采集，獲取的三維點(diǎn)云及數(shù)碼影像成果真實(shí)記錄了現(xiàn)場(chǎng)鐵路狀況以及公務(wù)設(shè)備情況；研究了融合GNSS、IMU和DMI的多源信息動(dòng)態(tài)定位和定姿方法，達(dá)到檢測(cè)載體厘米級(jí)絕對(duì)定位精度；完成了基于激光點(diǎn)云進(jìn)行軌道幾何要素的自動(dòng)提取，實(shí)現(xiàn)了軌道中心線、軌道軌頂點(diǎn)、路基橫斷面、隧道斷面數(shù)據(jù)的快速提取與成圖；減少了外業(yè)人工數(shù)據(jù)，提高了整體作業(yè)效率，為線路維護(hù)、提速改造等提供了可靠數(shù)據(jù)支撐。