三維激光掃描移動測量在鐵路運營中的應用

周玉輝

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

鐵路運輸是我國目前客運、貨運主要的運輸方式。截至2017年底，我國鐵路營業里程已達12.7×104km，其中高速鐵路2.5×104km。根據2016年修編的《中長期鐵路網規劃》，到2025年，我國高速鐵路通車里程將達到3.8×104km，并形成“八縱八橫”的高速鐵路網[1]。隨著大量新建高速鐵路的施工及投入運營一些線路病害逐漸顯現出來，如隧道底板隆起、隧道變形、路基沉降、橋梁位移等。因此，在一定周期內需對高速鐵路施工現場或運營線路進行快速、長期的監測，如何在有限的人力、物力資源條件下提高測量技術水平，提高工作效率、確保工程質量就顯得十分必要。

基于此，中鐵二院開展了基于慣導三維激光掃描移動測量系統在鐵路工程上的應用研究。研究表明：①采用三維激光移動掃描可快速獲取施工周圍環境及運營線路高密度、高精度的點云數據，在高速鐵路施工中可進行構筑物的變形監測[2-3]。②隨著車載移動測量在公路、市政工程及城市管理上應用的逐漸普及并取得了一定的進展，三維激光掃描測量技術應用在鐵路工程及運營管理上成為可能。③隨著移動測量設備完善及精度的提高，在鋪軌后可采用三維激光掃描移動測量系統快速進行隧道、橋梁及路基的監測及運營維護管理，為高速鐵路施工及運營維護提供了一種高效率、高精度的測量手段。

1 三維激光掃描移動測量系統

基于慣導的三維激光掃描移動測量系統采用三維激光掃描技術、GPS/IMU組合導航(POS)定位定姿技術、多傳感器集成移動測量技術等進行系統集成，以列車、汽車或軌道小車為載體，進行快速三維激光掃描，獲取施工現場、運營鐵路軌道及附屬設施的高精度點云數據，通過一系列的后處理運算后，得到更加精確、有效、完整的施工現場構筑物及運營鐵路的相關信息。

1.1 三維激光掃描移動測量系統組成

鐵路三維激光掃描移動測量系統以列車或軌道小車作為測量平臺，系統共分為4個主要控制系統單元。

(1)電源管理單元：對整套系統進行供電及相應的電路保護，從而保證系統的正常工作。

(2)同步控制單元：通過電路控制將所有傳感器進行同步數據采集，并將采集到的相關數據上傳至存儲系統中。

(3)數據采集單元：利用三維激光掃描、GPS/IMU組合導航(POS)定位定姿等技術獲取鐵路工程各種構筑物的各種相關信息，主要包括點云數據、全景影像、空間位置和姿態信息等。

(4)軟件處理單元：針對采集回來的數據進行分析，包括平面坐標以及高程系統的處理分析。對于平面坐標，采用常規高程面模型投影解算出的點云必須經過適當的平移，才能轉換到軌道高程投影模型下，進而最大限度控制投影帶來的長度變形；高程系統基于的則是水準高系統，通過一定的算法將實測的大地高轉換成水準高，得到高精度的點云成果數據并可快速瀏覽[4]。

測量系統集成如圖1所示。

圖1 系統集成框架圖

1.2 三維激光掃描移動測量的技術優勢

(1)三維激光掃描移動測量是基于三維激光掃描、慣性測量與GNSS定位技術的軌道高精度三維激光點云和高分辨率全景影響數據采集設備。

(2)系統將控制網坐標動態傳遞到POS測量系統，采用聯合解算方法，滿足弱GPS信號甚至無GPS情況下絕對測量精度的提高，實現高速鐵路軌道快速、自動、連續、無縫、高精度定位定姿測量。

(3)通過點云數據可以提取既有線中線里程、中線坐標、軌面高程、路基斷面、地形地物點資料。

(4)利用360°全景影像及點云效果圖的真實、可視化優勢，進行既有線路的路基病害、線路設施、跨線凈空資料調查[5]，提高既有線勘測與調繪的準確性、完整性。

(5)采用三維激光掃描移動測量技術改進了鐵路既有線現狀測量方法；減少作業流程及時間，提高了作業效率；減少與運營列車的相互干擾，確保測量人員、設備及運營的安全。

2 高速鐵路軌道數據測量

2.1 測試過程

重慶至貴陽高速鐵路(簡稱渝黔高鐵)，從重慶站引出，經綦江、桐梓、遵義、息烽，終點至貴陽北站，線路全長347 km，設計速度250 km/h。渝黔線設計施工過程已沿線建立了完備CPO、CPⅠ、CPⅠ及CPⅢ平面高程控制網，測試時采用渝黔線高精度CPⅡ控制點作為基站主控點，CPⅢ作為平面高程加密約束點，CPⅢ約束點在鐵路兩側布置，點間距離約60 m，布置在路基、橋梁、隧道兩側[6]。

為了保證CPⅢ控制點順利融入系統，特別設計了專用靶標實現CPⅢ約束點數據采集。

(1)利用施工加密CPⅡ點作為基站約束控制點。CPⅡ約束點坐標高程資料如表1所示。

表1 CPⅡ約束點坐標高程表

(2)充分利用沿線已有CPⅡ及CPⅢ控制網進行靶標布設，CPⅡ控制點作為基站，CPⅢ控制網按照60 m左右間隔在鐵路兩側布設成對靶標，相鄰兩個靶標布設在鐵路的不同側。靶標可以沿CPⅢ控制網依次不間斷進行布設，后續為測試不同靶標密度(間距)對精度的影響再選取不同密度的靶標進行融合解算。

2.1.2 現場數據采集

本次測試同步進行標靶布設和現場數據采集，標靶布設需要配備4人(分2組進行靶標安裝和拆卸傳遞)，移動測量系統儀器操作員1人。CPⅢ約束點布置及數據采集如圖2所示。

圖2 數據采集

2.2 掃描數據處理

外業現場掃描完成后，立即實施內業數據處理，并對數據處理過程中的關鍵指標進行了質量控制。

(1)航跡解算

掃描完成后，利用車載激光掃描儀上的GPS數據與同步的地面基站數據進行差分，聯合高精度激光慣導及里程編碼器數據融合解算出高精度的航跡文件。

加強行政監管。堅持“專人包片、領導督辦”，強化農村飲水安全督導檢查考核機制，以督查促進整改，以考核倒逼加壓，確保各項工作真落地、見實效。2017年，重點對脫貧縣和深度貧困縣開展了聯合督察，對全省進行了考核評估。今年8月，對43個未脫貧縣開展農村飲水安全督導檢查。

(2)設備自檢校

自檢校過程主要包括設備系統標定，內部設備精度檢校。

(3)激光雷達數據融合糾偏解算

完成以上工作后，即可進行數據解算，融合得到初步激光雷達數據。之后利用現場采集到的控制點進行點云高程改正，得到最終點云數據。

2.3 基于控制點約束校正的精度改善試驗與分析

為提高三維激光掃描移動測量系統獲取的三維激光點云數據的精度，探索利用鐵路控制網(CPⅡ、CPⅢ)進行激光點云精度改正需要的控制點的密度，根據靶標間距不同的2段，分別進行了精度改善實驗對比分析。

2.3.1 平面高程約束點精度統計

(1)間距為800 m的CPⅢ點作為約束點，其他CPⅢ點作為驗證點的精度統計。精度驗證報告如表2所示。

由表2可知，當采用間距為800 m的CPⅡ作為約束點時，其大部分測試點的精度均<1 cm，個別單點平面高程精度<2 cm；，但其平面及高程標準差均<1 cm，滿足既有普速鐵路快速高精度檢測與測量的精度要求[7]。

(2)將測段內所有CPⅢ點作為約束點，其精度驗證報告如表3所示。

由表3可知，在測段范圍內，將所有CPⅢ點作為約束點時，其單點平面精度<1 cm；其高程精度<1 cm，滿足高速鐵路工程測量規范的精度要求[6]。

2.3.2 軌面高程提取精度統計

在測段范圍內，采用電子水準儀對軌面高程進行水準測量，與采用不同CPⅢ間距約束點計算提取的軌面高程進行對比，其軌面高程對比精度報告如表4所示。

由表4可知，約束點的精度越高，點云數據精度越高，在一般既有線上測量時，若沒有CPⅢ點，可以用既有線外移樁點作為約束點進行融合約束計算，其成果資料滿足鐵路既有線測量“既有鋼軌面高程檢測限差不應大于20 mm”的要求[7]。

表2 渝黔線約束點精度驗證報告

表3 渝黔線約束點精度驗證報告

表4 渝黔線軌面高程精度報告

3 鐵路大修軌道數據測量

3.1 項目簡介

(1)項目概況：該項目是成都鐵路局成都工務段年度大修任務，由中鐵二院測繪院、工務段聯合作業，采用移動式三維激光測量系統進行既有線現狀測量工作，取得了良好的效果。

(2)項目地點：成都市青白江區、廣漢市、彭州市。

(3)項目范圍：由青白江區至彭縣段約32 km的既有線三維掃描生產。

3.2 約束點布置

(1)全段主控點4個，所有約束點平面采用四等GPS靜態測量，高程采用四等水準測量，并盡量與成九線的平面高程控制點聯測。

(2)在K 0+000～K 32+000段，沿線路兩側分別布置平面高程約束點；點間距離500 m左右，一側編號為GP-*作為靶標約束點，另外一側編號為TP-*作為樁面約束點(不架設標靶)。

(3)約束點盡量在橋涵帽石上標注(并刻+絲)，也可采用木質方樁(中心釘鋼釘，方樁宜高出地面5 cm，便于掃描)。

(4)在布置約束點時確保掃描儀能夠清晰掃描到約束點，約束點周圍應用紅白油漆相間涂抹。約束點布置如圖3所示。

圖3 約束點布置

3.3 數據采集

(1)K 0+000～K 32+000段，由測量人員進行中線里程測量(在鋼軌上標注)及軌面高程測量(左右軌分別測量)，測量數據作為對比數據使用。

(2)從青白江車站，以列車為載體，將移動掃描設備固定在列車頭部，以30 km/h的速度進行數據移動掃描采集，移動掃描數據采集如圖4所示。

圖4 現場數據采集

3.4 數據處理

3.4.1 點云數據處理

外業現場掃描完成后，立即實施內業數據處理，并對數據處理過程中的關鍵指標進行了質量控制。掃描完成后，立即進行內業數據處理，并對數據處理過程中的關鍵指標進行了質量控制。

(1) 航跡解算

掃描完成后，利用車載激光掃描儀上的GPS數據與同步的地面基站數據進行差分，解算出高精度的航跡文件。

(2)設備自檢校

自檢校過程主要包括設備系統標定，內部設備精度檢校。

(3)激光雷達數據融合糾偏解算

完成以上工作后，即可進行數據解算，融合得到初步激光雷達數據。之后利用現場采集到的控制點進行點云高程改正，得到最終點云數據。

3.4.2 約束點平面高程精度

采用約束點約束融合計算后，再次提取各個約束點的平面坐標及高程精度驗證報告，如表5所示。

3.4.3 里程中心線的準確提取

確定起點里程K 0+000的平面坐標，計算起點里程對于鐵路來說是最為重要的一個參數指標，后續所有的輸出成果均是基于此里程。需要通過軟件將車行軌跡準確快速的提取出來，并進行編輯和修正。

3.5 大修設計測量資料

應成都鐵路局工務檢測所要求，通過對高精度點云數據提取以下資料：(1)左右線軌面高程表；(2)中心線坐標表(計算撥距)；(3)平面高程控制點資料。

4 在鐵路上的應用

4.1 在施工階段的應用

(1)隨著CCD傳感技術、視頻壓縮技術、圖像處理等技術的發展，計算機視頻測量技術越來越多地應用于隧道限界檢測領域，限界檢測正在向更高速度、更高精度發展，利用高精度點云數提取隧道及其他構筑物的特征點實現變形監測，通過2次掃描點云數據，提取隧道及其他構筑物的特征點數據，進行對比，判釋隧道及其他構筑物是否變形或發生位移[3]。隧道變形監測立面點布置如圖5所示。

圖5 隧道結構立面監測點布置圖

可根據不同時間段掃描的點云數據差值，開展隧道的監測，可以根據這些差值進行構筑物的平面位移、沉降值計算、隧道收斂值計算等。

(2)在施工過程中，可利用車載移動掃描設備，多路基面、路基邊坡及沉降觀測標志等其他構筑物進行移動掃描，根據點云數據，提取路基面高程，評價施工是否滿足設計要求；提取路基沉降觀測點，評判路基沉降參數。

表5 精度驗證報告

4.2 在運營線上的應用

4.2.1 運營安全評估

(1)利用列車作為載體，采用移動三維激光掃描儀對運營鐵路線路進行快速掃描獲取高精度點云數據，通過軟件處理提取的鐵路中心線坐標、軌面高程，實現左右軌道超高檢測。根據軌道靜態幾何尺寸容許偏差值管理要求，判斷既有線左右軌的超高值是否滿足規范的要求[8]。

(2)根據提取的中線坐標、橋梁擋砟墻特征點坐標，計算鐵路鋪軌中心線與橋梁中心線的差值，判斷既有線橋梁偏心值是否滿足規范的要求。橋梁中心線與鋪軌中心線偏差如圖6所示。

圖6 橋面結構立面圖(cm)

(3)利用兩次掃描點高精度云數據提取接觸網吊柱的進行對比，判斷隧道及接觸網吊柱是否變形或發生位移，經計算，若接觸網基座松動1 mm，調柱下端將產生12.6 mm的平面位移，因此利用高精度云數據很容易對接觸網吊柱變形進行判斷，從而進行必要的維護，消除安全隱患。接觸網結構如圖7所示。

圖7 接觸網結構圖(mm)

(4)利用高精度點云數據提取沿線設備進行設備臺賬管理。

4.2.2 工務大修設計

利用高精度點云數可以提取既有線中線里程、中線坐標、軌面高程、路基斷面、地形地物點資料用于既有線鐵路勘測設計及工務大修設計。

5 結論

(1)在高速鐵路勘測設計施工中，采用基于軌道車平臺的三維激光掃描移動測量技術裝備和軟件處理系統，利用CPⅢ平面高程控制點作為約束點進行計算得出其平面絕對精度<1 cm，其高程絕對精度<1 cm，滿足高速鐵路規范要求。該技術是一種全新的測量技術和方法，在高速鐵路工程上應用將顯著提升我國高速鐵路建設及運營測量技術水平。

(2)在既有線改建工程及大修勘測設計中，采用基于列車或平板車平臺的三維激光掃描移動測量技術裝備和軟件處理系統，通過約束點間距為400～600 m(相當于CPⅡ間距)及時速4～6 km/h的軌道小車與時速30 km/h的火車平板車進行移動掃描的精度驗證。計算得出其平面絕對精度<2 cm，其高程絕對精度<1 cm，滿足《改建鐵路工程測量規范》要求。在既有線改建工程、大修設計及運營中應用該系統，能快速、安全獲取既有鐵路測量數據，大大提高勘測設計及運營管理水平。