激光掃描技術在軌道施工質量自檢中的應用研究

白楊軍，段曉峰

(1.中鐵一局集團有限公司，西安 710054;2.蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 730070)

1 概述

軌道平順性控制是軌道管理的核心問題和技術關鍵問題，直接影響鐵路運行安全、高速及舒適度，因此，需從設計、施工、維修管理等方面進行嚴格控制和規范管理。由于軌道不平順具有“記憶”特征，初始不平順好的軌道，維修周期長，養護維修工作量小，能長期保持良好的平順狀態;初始不平順差的軌道，不僅維修周期縮短，即使增加維修作業次數也難以改變軌道初期先天不良水平，所以初始不平順是運營后各種軌道不平順發生、發展、惡化的根源，這就需要在建設過程中嚴格控制軌道初始不平順。

鐵路軌道工程施工自檢是軌道工程施工質量驗收前的必須環節，作為主要檢查內容的軌道幾何形位檢查是獲取軌道不平順指標(主要有軌距、水平、高低、軌向、復合不平順及連續不平順等)的技術途徑。現有技術條件下，依照檢查方式的不同分為手工靜態檢查和檢查車動態檢查。軌道幾何尺寸靜態檢查，主要利用道尺、弦繩及板尺等檢查工具沿線路按照相關標準逐點進行，線路幾何尺寸檢查的主要項目有軌距、水平、軌向、高低及軌底坡。軌道幾何尺寸動態檢查主要設備是軌檢車，如我國的GJ-5、日本的East-i，德國的OMWE，奧地利Plasser公司的EM250等，檢測項目主要包括軌距、水平、三角坑、高低、軌向、車體垂向加速度、車體橫向加速度、軌距變化率、曲率變化率、橫向加速度變化率等。這種傳統的軌道幾何形位檢測方式一靜一動，得到的數據一粗一細，基本可滿足現場需要。但這種數據檢測方式人多、效率低，且靜態數據多為抽檢，數據離散，與真實線路形位有較大偏差，軌檢車動態檢測結果現場施工指導性不足。隨著提速鐵路高平順性和高舒適性要求的提出，軌道初始不平順檢測作業項目增多且標準日趨嚴格，如何改進軌道施工自檢功效，進而改善軌道初始不平順狀態，提升軌道施工質量是目前施工單位適應鐵路建設新形勢下要主動解決的一個難題。三維激光掃描技術是最新的測量技術，我們嘗試以此為問題解決的切入點。

三維激光掃描技術又被稱為實景復制技術，源于逆向工程，是從單點測量進化到面測量的革命性技術突破，具有采集效率高、數據連續、實時三維、非接觸性等獨特數據優勢。按照載體的不同，三維激光掃描系統又可分為機載、車載、地面和手持型幾類。三維激光掃描技術能夠提供掃描物體表面的三維點云(point cloud)數據，因此可以用于獲取高精度高分辨率的物體表面模型。在我國鐵路建設領域，主要應用涉及測量工程領域和結構測量領域，目前已取得的研究成果包括:利用機載激光掃描技術獲取三維點云信息建立數字地形模型，進行初測階段帶狀等高線地形圖的應用研究和定測階段橫縱斷面測量的應用研究［1］;隧道斷面測量及變形監測應用［2，3］;在既有鐵路勘測中，已就地面激光掃描儀的數據采集方法展開初步研究［4］，正試圖擴展激光掃描技術在結構測量領域的應用［5］，相關的數據處理方法基本處于技術探索階段。

本研究利用三維激光掃描系統對鋪砟整道后的新建鐵路軌道施工質量進行一般項目自檢，結合線路點云數據特點，通過實時連續點云數據采集、數據處理、數據分析及利用，以期實現高精度、高效率、智能化鐵路線路軌道測量，為該技術在鐵路建設領域廣泛推廣應用進行技術積累。

2 檢測試驗

2.1 檢測依托工程概況

中鐵一局集團承建的甘泉鐵路(甘其毛都至萬水泉南站)工程，位于內蒙古自治區西北部的包頭市、巴彥淖爾市境內，起訖里程DK22+500～DK359+200，線路全長367 km，為國家Ⅰ級單線電氣化鐵路，貨運專線，設計時速 120 km，最小曲線半徑:一般地段1 200 m，困難地段800 m;限制坡度:上行6‰，下行13‰;軌道結構:重型有砟。

結合前期研究成果［4］，選用美國 BASIS公司的Surphaser25HSX地面三維激光掃描儀對甘泉鐵路DK126+050～K127+500段線路進行檢測。測區平面示意見圖1。

圖1 檢測試驗段平面示意

2.2 檢測內容及標準

針對鋪砟整道后的軌道工程施工質量進行自檢，包括:軌道靜態平順度、軌面高程、軌道中線偏差。對應檢測標準見表1。

表1 檢測內容及標準［6］

依據《鐵路軌道工程施工質量驗收標準》(TB10413—2003/J284—2004)規定，采用傳統檢測技術(觀察檢查、尺量)要求施工單位正線每2 km各項均抽檢10個測點，但每單位工程至少抽檢1個曲線10個測點。本次試驗采用地面激光掃描儀，通過采集連續的點云信息，在內業根據指標特性，利用提取的線路點云內/外軌三維數據，10 m或20 m弦長取點測量相關指標。

2.3 檢測方案

綜合考慮測量精度與效率的匹配問題，檢測試驗中采用了線路中線“一”字形施測(沿線路中心線移站)、“之”字形施測(路基雙側交替移站)、低地面儀器“一”字形施測(無腳架線路中心移站)3種方案，具體測站布置如圖2所示。

圖2 測站布設示意(單位:m)

在外業數據采集中，將三維激光掃描儀掃描密度定為20×20，則點位間隔遞增率為0.8 mm/m，可以滿足數據采集密度需要。同時，在測區(縱向為同一坡段)首、中、尾處布置了3對控制點，用全站儀和水準儀進行了控制測量。激光掃描儀外業作業僅需2人，1人負責儀器，1人配合移動標靶即可。對應的控制測量按常規作業需配備6人。

依照現場掃描結果(圖3～圖5)，3種施測方案其對應的優缺點見表2。

圖3～圖5顯示了不同施測方案局部點云數據處理后的效果。

圖4 采用“之”字形施測點云處理效果圖

圖5 采用低地面儀器“一”字形施測點云處理效果圖

表2 施測方案優缺點比較

3 檢測數據處理及分析

3.1 線路點云數據處理

對外業采集回來的散亂的點云信息需在內業結合專業軟件的處理才能得以工程應用，具體包括線路點云數據預處理與線路點云數據提取。原始采集點云見圖6。

3.1.1 線路點云數據預處理

因線路結構的長帶狀、松散性、材料異性等自身屬性，使其預處理過程明顯有別于普通逆向工程技術流程［7］，線路點云數據預處理關鍵技術主要包括多視拼合、噪聲去除、數據簡化和網格化。

多視拼合是指用磁性覘標控制點法進行點云配準，將所有的點云數據轉換到一個共同的參考坐標系統，以取得統一的相對坐標，并進一步結合控制網坐標，將點云回歸絕對坐標。在具體操作過程中，同名點(即標靶)注冊后，嚴格控制審核誤差，若誤差大于要求范圍，需重新選點，拼接。

噪聲去除用于減少在掃描過程中產生的一些噪聲點數據，所謂的噪聲點是指模型表面粗糙的、非均勻的外表點云，掃描過程中由于掃描儀器的輕微抖動等原因產生。減噪處理可以使數據平滑，降低模型的這些偏差點的偏差值，因此在操作過程中需結合線路不同設備特征，進行自由曲面和平滑級別的各自處理。

最后根據所要解決的工程實際對數據采集密度的要求，進行數據簡化，刪除冗余數據，進行封裝(圖7)，構建多邊形三角面片模型，根據需要可利用后處理軟件的曲線處理技術，實現多邊形網格的規則化，作為上游數據為CAD正向設計提供支持。

圖6 原始采集點云

圖7 封裝后的點云

3.1.2 線路點云數據提取

點云數據提取即線路點云模型重構是激光掃描技術專業應用的關鍵技術，是指以已有的物理模型為上游數據，產生正向CAD設計特征模型的過程，包含離散測點的網格化、特征提取、表面分片和曲面生成等。在具體的應用中結合軌道施工質量自檢指標的特點，以特征面(圖8)的構建為關鍵進行了線路軌向及道床斷面數據的提取。提取后的軌向數據同時包括內/外軌數據，最小點位間隔為1 m，并可據此進行實測線路中心線位的提取。將這些數據另存為DXF格式導入CAD便于靜態幾何形位等指標的具體量測與分析，如軌距的量測見圖9。

3.2 線路點云數據分析

3.2.1 軌道中線

根據提取線路中心線位置，將其和設計線路中樁進行對比分析，三維比較標準偏差0.173 m，最大上偏差0.365 m，最大下偏差 0.500 m，在±0.145 m 以內的數據點個數占到55.26%，具體偏差分分布見圖10。

圖8 特征面構建

圖9 CAD軌距測量(單位:m)

圖10 檢測試驗三維偏差分布示意

3.2.2 軌面高程

對三維線路中心線縱向投影，高差分布見圖11，軌面高程合格率98%。

圖11 高差分布示意

3.2.3 軌道靜態平順度

根據提取的內/外軌三維線條，在AutoCAD中根據指標特性，10 m或20 m弦長取點測量，詳見表3。

參照檢驗標準可知，軌距合格率16.2%;軌面高低合格率89.8%;軌向合格率:直線段50%，緩和曲線段30%，圓曲線段32%。

軌距超限原因主要有扣件松動;鋼軌硬彎或焊接鋼軌時沒有對正;曲線地段軌道加強設備不足或超高設置不當。軌向方向不良大多數是由于鋼軌存在硬彎、碎彎造成的，該檢測試驗段主要位于曲線，由于彎度大，容易出現接頭支嘴，也是出現方向不良的一個原因。

這里曲線頭尾的幾何偏差很大，而這往往是列車曲線脫軌的重要原因，這種幾何偏差實質上是一種軌道超高和曲率不匹配的嚴重復合不平順，將使車輛產生劇烈搖晃，脫軌系數和減載率側向力均顯著增加。為了進一步辨識軌向不良帶來的連鎖反應，結合既有線點云整正方法研究［5］，進行了改試驗段的部分曲率變化率分析，如圖12所示。

圖12 實測5 m間距點曲率變化率

曲率變化率分析數據顯示在 DK126+823.57，DK126+838.57，軌向嚴重不良，與現場圓曲線正是最大最小值差所在位置檢測結果吻合。

基于上述軌道檢測結果進行了線路調整，線路不平順得以改觀，Ⅱ級超限點基本消除，極大地改善了線路初始不平順狀態。

4 結語

本次檢測試驗研究以軌道施工自檢為依托，采用激光掃描技術對鐵路線路點云數據采集、處理、分析及利用進行了探索，獲得了有益的技術積累，主要結論如下。

表3 檢測記錄mm

(1)明確線路勘測地面激光掃描技術作業模式。包括儀器選型、控制網布設、標靶布置、施測流程等具體要求。

(2)提出線路點云數據處理方法。結合線路專業技術特點，提出線路點云數據預處理方法和線路點云線、面、體設計特征的初步提取方法，基于此可一次性完成軌道中線、軌面高程、軌道靜態平順度等軌道設備尺寸檢查，極大地降低了外業作業強度，提高了工作效率。

海量的線路點云信息對現場進行了實景復制，可根據不同用戶需要進行三維設備線、面、體的查詢和管理，豐富了數據管理手段。與此同時，由于鐵路建設需要的復雜性，激光掃描技術在其專業應用推廣中需進一步處理好精度、效率、智能化的匹配問題。

［1］韓改新.機載激光雷達(LIDAR)技術在鐵路勘測設計中的應用探討［J］.鐵道勘察，2008(3):1-3.

［2］夏國芳，王晏民.三維激光掃描技術在隧道橫縱斷面測量中的應用研究［J］.北京建筑工程學院學報，2010(9):21-24.

［3］托雷.基于三維激光掃描數據的地鐵隧道變形監測［D］.北京:中國地質大學，2012.

［4］李建強.地面激光掃描技術在既有鐵路勘測中的應用研究［J］.鐵道建筑，2012(4):128-131.

［5］段曉峰，韓峰，李建強.基于點云信息的既有線整正方法研究［J］.鐵道標準設計，2013(8):15-18.

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［7］梁欣廉，張繼賢，李海濤，閆平.激光雷達數據特點［J］.遙感信息，2005(3):71-76.

［8］中華人民共和國鐵道部.鐵運［2006］146號 鐵路線路修理規則［S］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［9］鐵道部運輸局.部運基線路電［2008］227號 關于調整軌道動態管理標準的通知［Z］.北京:中華人民共和國鐵道部，2008.

［10］中鐵一局集團有限公司，蘭州交通大學.基于點云信息的鐵路線路狀態檢測及評估技術研究報告［R］.西安:中鐵一局集團有限公司，蘭州交通大學，2013.