三維激光掃描儀在軌距提取中的應用研究

常占奎

(中國鐵路上海局集團有限公司 工務處,上海 200071)

激光掃描是一種通過位置、距離、角度、反射強度等觀測數據直接獲取對象表面點三維坐標,形成點云數據,實現信息實時提取和準確重建三維場景的觀測技術[1-2]。為更好地熟悉該項測量新技術,探索其在鐵路勘測領域的應用,以提取既有線軌距為切入點,采用徠卡MS50三維激光掃描儀獲取同濟大學試驗線點云數據,從中提取線路軌距,并與現場實測軌距值進行對比,以驗證三維掃描儀在軌距提取中的有效性。

1 試驗方案

本次試驗選取同濟大學試驗線直線段,長度約70 m?？紤]精度的需要,將掃描密度定為豎向間隔 0.001 m,水平間隔0.001 m。本次試驗采用之字形施測,即線路兩側交錯布設測站。測站間距控制在25 m左右,掃描區域適當重疊,采用后方交會法,保證多站掃描數據處于同一坐標系下。設站及轉站要求與全站儀相同,本文不再贅述。掃描前,以道口板邊線為基準,按間隔1 m測量線路軌距,并于軌頭外側做好標記。現場布設控制點后,進行外業數據采集,其步驟為：支架掃描儀/布置控制點→整平/參數設置/測量定位→掃描→轉站→掃描→掃描預覽。試驗線點云圖見圖1。

圖1 試驗線點云圖

2 測量數據處理

2.1 預處理

預處理主要包括刪除多余的點云,去冗、除噪。主要結合STUDIO和CYCLONE軟件進行處理[3]。

掃描作業不可避免會將人員、輔助設備等不必要的物體掃描到數據中,需要將這些大塊無用的點云刪除,降低計算量,提高計算機處理效率。該階段主要借助CYCLONE軟件完成。

相鄰測站之間掃描重疊區域冗余的點云,以及由于測量設備的標定參數發生改變或測量環境突然發生變化等因素造成的噪聲點,都會影響點云數據的精確性和光順性,故必須去冗、除噪,消除外業數據采集過程中由于上述原因帶來的模型表面非均勻的粗糙外表點云[4]。通過除噪、數據平滑,可降低模型在這些點處的偏差值。該階段借助STUDIO軟件完成。點云數據去冗、除噪效果對比見圖2。

圖2 點云數據去冗、除噪效果對比

2.2 封裝

前述通過三維激光掃描儀采樣得到的點云數據是離散的點集。封裝是利用點云數據，通過一定的算法來恢復原始曲面的幾何模型,即曲面重構的過程。三角網格面作為曲面的近似表達方式,是在三維空間中通過對各小三角片進行拼接而形成的網格面。點云封裝的實質即是用許多細小的空間三角形來逼近還原CAD實體模型。

2.3 規則化處理及建模

初步封裝后的模型存在一定缺陷,需在多邊形模型階段對其進行人工修補、調整等規則化處理,得到可操作的網格模型。圖3顯示了局部點云數據封裝并規則化處理后的效果。

圖3 點云封裝并規則化處理前后效果對比

3 提取線路軌距

軌距的提取可在點云處理軟件中直接進行,但在海量點云數據中選擇測點直接進行連線操作需完全依靠主觀性判斷,偏差較大且工作量巨大,量測方向也不準確,因此是不可取的。圖4為軌距隨機測量,可知2次測量值分別為 1 473 和 1 493 mm,誤差較大。

圖4 軌距隨機測量

針對在多邊形模型階段提取線路軌距數據,國內外專家學者做了大量的研究工作。文獻[4-6]研究認為在多邊形模型階段截取特征截面薄片數據,并按照需要以一定間隔繪制線路法線,再以所得鋼軌邊為參照做修剪,結合CAD查詢各線段長度及端點坐標,由此可得出線路軌距。此方法建立在將薄片數據視為一條直線的基礎之上,所以理論上是三維操作,實際上是二維操作。

本次試驗研究借助QUALIFY軟件的模型偏差校驗功能,以模型本身為基準模板,通過對比,在確保偏差為0的基礎上,截取軌下16 mm處特征截面,再提取線路軌距,整個過程是在三維模型下的操作。

提取軌距關鍵技術在于特征截面的處理,其旋轉角度需要和線路設備三維走向相匹配。如假設水平為x軸,縱向為y軸,則繞x軸旋轉角θx為坡度與超高順坡率的綜合值,繞y軸旋轉角θy在曲線地段為超高與軌道中心距的比值和軌底坡的綜合值[7-8]。

以前期標注地段掃描數據為例,具體操作過程為：

1)多邊形對齊。首先，將前期處理的點云模型導入QUALIFY軟件中，并設為參考模型，然后重復導入點云模型，并將第2次導入的點云模型設為測試模型。

2)進行3D比較。局部模型的3D偏差情況如圖5所示。觀察可知模型最大上下偏差量為0,匹配度高,可進行下一步操作。

圖5 局部模型3D偏差情況(單位：m)

3)進行2D比較。在封裝的鋼軌模型上,通過旋轉x軸、旋轉y軸和位置度參數的設定,給定鋼軌平面初始貫穿截面,將初始截面下移16 mm[9],計算后得出2D特征截面。

4)提取軌距數據?；谔卣鹘孛?可以提取任意位置軌距數據并顯示在視圖中,軟件自動記錄數據信息。為便于比較,選取前期人工測量標記點進行軌距提取,每隔1 m量取軌距,軟件自動顯示軌距值并記錄在屏幕下方的表格中,如圖6所示。

5)數據導出、比較：將軟件測量的數據發送至Excel表格,與現場人工實測數值進行對比,見表1?？芍壘嗟能浖崛≈蹬c現場實測值基本吻合。

圖6 采用軟件提取軌下16 mm處軌距顯示屏幕

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4 結語

針對三維激光掃描儀在軌距提取中的應用，本文從外業施測流程到內業點云數據預處理及軌距提取都做了詳細的分析。經驗證，軟件提取值與現場實測值基本吻合。

本試驗研究中有待進一步完善之處為:

1)儀器參數的設定對作業時間的影響較大,例如掃描間距越小,則掃描時間越長。如何合理地設置參數,仍需進一步探索確定。

2)STUDIO軟件參數的設置對模型圓弧度等影響較大,需要進一步對比分析。

3)特征面的選取較為單一,和實際線路的平縱細部要求局部有出入,易產生由于量測位置不準確導致的測量誤差。

在本研究的基礎上，下一步研究方向為：

1)對采集的數據進行深度挖掘,研究提取軌向、道床斷面等數據。

2)研究基于掃描數據的曲線整正方法?；谠O計曲線要素建立標準曲線線路的三維模型,與既有曲線線路建立的模型進行三維和二維模式下的對比分析,提取既有曲線要素,顯示與設計要素的偏差值,為曲線改造提供基礎數據。

3)研究在道岔檢測中的應用,特別是特大站場的道岔群檢測作業,通過截面或特征面的構造完成幾何線位數據的提取。

[1]段培勇,薛峰,謝錦妹,等.激光掃描技術在鐵路限界檢測中的應用研究[J].鐵道建筑,2013,53(8):89-92.

[2]卓寶熙.鐵路工程勘測技術的回顧、現狀與展望[J].鐵道工程學報,2007,24(1):6-12.

[3]成思源,楊雪榮.Geomagic Studio逆向技術建模技術及應用[M].北京:清華大學出版社,2016.

[4]韓峰.基于點云信息的既有鐵路狀態檢測與評估技術研究[D].成都:西南交通大學,2015.

[5]白楊軍,段曉峰.激光掃描技術在軌道施工質量自檢中的應用研究[J].鐵道標準設計,2014,58(6):23-27.

[6]李良英，韓峰.地面三維激光掃描技術在道路改擴建測繪中的應用研究[J].礦山測量，2016，44(5)：24-27.

[7]徐進軍,張毅,王海成.基于地面三維激光掃描技術的路面測量與數據處理[J].測繪通報,2011(11):34-36.

[8]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,2012,52(4):128-131.

[9]張毅,閆利,崔晨風.地面三維激光掃描技術在公路建模中的應用[J].測繪科學,2008,33(5):100-102.