背包式移動三維激光掃描系統在鐵路勘測中的應用

王培峰

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 湖北武漢 430063）

1 引言

隨著測繪裝備和技術的快速發展，鐵路勘測任務的作業效率、測量精度和成果質量顯著提升，有效推動了鐵路勘察設計向信息化、自動化和智能化方向發展［1］。當前鐵路勘測已初步形成“空－天－地”一體化的數據測量與處理體系，能夠完成地形、地貌、居民地、水系、交通、植被、重點設施等的空間位置和屬性信息的采集和獲取工作。在太空層，利用高分辨率衛星影像、衛星測量定位技術、合成孔徑雷達干涉測量InSAR技術等獲取對地觀測數據［2－3］；在天空層，利用航空攝影測量、無人機傾斜攝影測量、機載激光雷達等方法獲取豐富、全面的勘測數據［4－5］；在地表層，利用三維激光掃描、無人船、軌道測量車等技術采集精細、高精度的測量成果［6－7］。

綜合利用當前的各種測量手段能夠基本滿足鐵路勘察設計要求，然而在隧道、涵洞、礦坑以及樹木遮擋嚴重等環境下，目前常用的新型測量手段往往無法覆蓋到。采用傳統測量手段（GNSS RTK、全站儀等）進行補充測量時，存在外業測量工作量大、作業周期長、測量點密度稀疏等問題［8－9］。因此，本文將探討背包式移動三維激光掃描系統在鐵路勘測中的應用，為鐵路勘測提供新的測量手段，對現有鐵路勘測體系進行有效補充，進一步提高鐵路勘測效率和成果質量。

2 背包式移動三維激光掃描系統

背包式移動三維激光掃描系統是以3D SLAM（Simultaneous Localization and Mapping，同時定位與地圖構建）技術為基礎，集成三維激光掃描儀、慣性導航單元IMU等傳感器可背負式的集成測量系統［10］。該系統能夠在未知環境中對自身定位的同時，根據自身姿態以及從點云數據中匹配的環境特征實現對周圍場景地圖構建，從而快速采集得到三維地理信息數據［11－12］。

背包式移動三維激光掃描系統根據搭載的傳感器類型和處理技術的不同，主要可以分為三種類型：（1）純SLAM技術。無GNSS和IMU等定位定姿傳感器，單純依靠SLAM技術結合點云拼接算法，動態解算自身位置和姿態，最終得到三維場景點云數據。（2）SLAM＋IMU。純SLAM技術的背包式移動三維激光掃描系統在場景紋理單一、特征點少的環境下精度較低，使用SLAM技術結合IMU的姿態信息對點云數據進行匹配拼接，可以有效提高整體點云的定位精度。（3）SLAM＋GNSS＋IMU。該類型的背包式移動三維激光掃描系統在室外開闊地段有GNSS信號時進行組合定位解算，在室內、隧道、地下空間等無GNSS信號時利用SLAM技術結合IMU數據進行解算，增強了適用性。

當前背包式移動三維激光掃描系統的相對定位精度在2～3 cm，絕對定位精度5 cm左右，能夠滿足很多鐵路勘測任務的精度要求。背包式移動三維激光掃描系統可由人員背負實施測量，且不依賴GNSS定位信息，可以快速高效地采集目標對象密集的三維點云數據。在室內、隧道、地下空間等無GNSS信號等場景下，利用背包式移動三維激光掃描測量相比傳統測量手段具有以下優勢：

（1）無需設站，人工背負行走測量，僅需1人，操作簡便，測量效率高，可快速獲得高精度點云數據。

（2）內業處理計算自動化程度高，可快速獲得密集的點云數據，高效提取地物特征點坐標；而傳統方法測點稀疏、測量效率低。

（3）環境適應性強，特別適用于室內、隧道、地下空間等無GNSS信號等復雜環境的測量工作。

3 測量實施方案

基于背包式移動三維激光掃描系統的鐵路勘測工作包括外業數據采集和內業數據生產兩個部分，具體測量流程如圖1所示。

圖1 基于背包式移動三維激光掃描系統的勘測流程

（1）測區劃分：按照測量任務要求，根據現有測量設備數量、設備續航能力、人員等情況對測區進行合理劃分，規劃安排好每個測區的測量區域范圍、測量時間、設備和人員。

（2）路線規劃：利用遙感影像、在線地圖并結合現場踏勘情況，規劃移動測量路線，以盡量短的行程完成測區測量，同時保證待測對象能夠完整被采集到，避免返工。

（3）控制點布設與測量：根據測區空間分布以及測量路線在合適位置布設一定數量的控制點，并采集測量控制點的三維坐標。

（4）外業數據采集：按照制定的路線利用背包式移動三維激光掃描系統進行點云數據采集，采集過程對地物盡量覆蓋全面，對于重點設施可進行局部細致采集。

（5）數據拼接：利用SLAM算法對原始坐標測量數據和慣性導航測量數據等進行處理，再利用點云拼接算法處理得到測區點云數據。

（6）坐標轉換：在拼接后的點云數據中標選控制點位置并輸入實際三維坐標后進行點云數據整體坐標變換，轉換到實際工程坐標系中。

（7）精度校核：在坐標轉換后的點云數據中量測檢查點的坐標，與實測的檢查點坐標進行精度校核，坐標偏差在精度要求范圍內才可進行后續制圖，否則檢查數據重新處理。

（8）點云測圖：將處理完成的點云數據導入到制圖軟件中，根據測量任務需求對地物按規范要求進行制圖。

（9）成果檢查與提交：對制圖成果進行質量檢查，合格后提交測量成果。

4 鐵路勘測中的應用

背包式移動三維激光掃描系統具有操作簡單、作業效率高、成果精度高、環境適應性強的優點，僅需1人便可完成外業數據采集，作業效率是常規測量手段的3～5倍，為鐵路勘測提供了一種新的測量技術手段，具有良好的應用前景，本文選取部分典型應用進行介紹。

4.1 地形測量

地形圖是鐵路線路設計的基礎資料，一般需要制作1∶2 000地形圖和1∶500工點圖，常規測量方法采用航空攝影測量制圖、機載激光掃描制圖等方法完成大面積的地形圖制圖工作。當遇到線路調線后，需要小范圍補測或者被遮擋區域補測等任務時，背包式移動三維激光掃描系統作業靈活，不受天氣條件限制，可隨時作業，能夠快速完成地形采集。采集完成后進行數據預處理，最后導入測圖軟件中進行制圖（見圖2a），按規范要求生成DLG數字線劃圖等成果（見圖2b）。背包式移動三維激光掃描系統定位精度在5 cm左右，基本可以滿足1∶2 000地形圖和1∶500工點圖的精度要求。

圖2 地形測量

4.2 斷面測量

鐵路橫斷面測量的目的是測定線路中樁處垂直于中線方向的地形起伏狀況，用于線路、路基的設計以及土石方量計算。由于鐵路線路長，斷面數量眾多，傳統使用人工RTK測量方式效率低、任務繁重，從航空攝影立體像對中量測只能人工逐個繪制無法批量處理，基于機載激光雷達測量可以快速批量生產斷面，但在樹木茂密區域遮擋嚴重、精度低。基于背包式移動三維激光掃描系統可以有效彌補機載激光雷達測量的盲區，從而全覆蓋、快速、高精度完成斷面測量?；诒嘲揭苿尤S激光掃描系統采集得到的點云數據，按照設計線路在中樁位置提取對應的斷面點云（見圖3a），自動化對斷面點云進行分類處理提取地面點云數據（見圖3c），最后基于地面點云生成斷面成果（見圖3b）。

圖3 橫斷面測量

4.3 房屋拆遷調查

房屋拆遷調查是鐵路勘察設計的一項重要內容，房屋面積測量的準確性對拆遷賠償、工程投資等有較大影響。傳統的房屋拆遷調查需要測量人員結合航空影像在現場對房屋進行逐一測量統計并登記，這種測量方式效率低、外業工作量大。當前也有利用無人機傾斜攝影測量方式進行房屋面積測量，這種方式成本高、易受遮擋導致盲區較多?；诒嘲揭苿尤S激光掃描系統可以沿著房屋周圍移動測量，快速獲取房屋的三維點云數據，經過分類處理后提取房屋層點云數據（見圖4a），然后按照制圖要求基于點云數據進行房屋DLG繪制（見圖4b），同時也能從點云中測量房屋高度、層數等信息（見圖4c）。

圖4 房屋測量

4.4 橋墩測量

高架橋橋墩的位置和高度影響著鐵路線路的設計，由于橋墩被橋面所遮擋，基于機載的測量手段無法有效對橋墩進行測量，同時還有些高架橋凈空高度低、橋下環境復雜，利用小型無人機測量的方法作業困難；同時橋下無GNSS信號，橋墩測量一般采用傳統的全站儀測量方式，測量工作量大、作業時間長。采用基于背包式移動三維激光掃描系統的測量手段，無需GNSS信號可以在橋下快速掃描得到橋墩的三維點云場景數據（見圖5a），可以從點云場景中獲取橋墩高度等信息，然后用水平切面工具提取橋墩截面點云數據（見圖5b），最后繪制DLG成果圖（見圖5c）。

圖5 橋墩測量

4.5 涵洞丈量

在鐵路勘測過程中需要對涵洞的位置、凈空高度等信息進行采集，而涵洞在航測數據中通常被坡體遮擋，一般采用全站儀現場測量，作業效率較低。利用背包式移動三維激光掃描系統可以一次采集涵洞外部以及內部的三維點云數據（見圖6a），在制圖軟件中導入涵洞場景的點云完成DLG成果圖（見圖6b），利用斷面工具生成涵洞斷面點云，然后基于斷面點云繪制涵洞斷面成果圖（見圖6c），量測涵洞的長、寬、高等數據。

圖6 涵洞丈量

4.6 高壓塔線測量

在鐵路勘測工作中高壓塔線測量需要完成電塔位置、高程、塔線高度等測量工作。使用背包式移動三維激光掃描系統在掃描測量地形和斷面時可以同步采集得到高壓塔線的點云數據。從點云數據中截取生成高壓塔線的橫截面數據（見圖7a），根據斷面點云直接測量電塔高程、塔高、線高等數據。另外，從俯視圖點云中可以直接進行電塔DLG制圖，獲得電塔位置、線路走向等信息（見圖7b）。

圖7 高壓塔線測量

5 工程應用

滬渝蓉高鐵合肥至武漢段（合武高鐵）線路全長352.857 km，其中湖北段新建正線長160.302 km。在合武高鐵湖北段的勘測工作中，為適應鐵路勘察設計對三維數字化勘測成果的需求，綜合使用激光雷達、傾斜攝影、GNSS等新興測繪技術快速獲取大范圍三維空間數據，通過計算機自動化或半自動化提取三維空間數據中的相關特征信息，快速生成計算機可識別的數字化勘測產品，為鐵路二維、三維和BIM設計提供勘測數據服務。

為填補航空攝影測量和機載激光雷達測量的盲區以及進一步提高勘測的效率和信息化水平，在合武高鐵湖北段開展了基于背包式移動三維激光掃描系統測量實驗及應用，用于線路斷面測量、房屋拆遷調查、橋涵測量等工作。為了驗證基于背包式移動三維激光掃描系統測量的精度，同常規GNSS RTK、全站儀等測量方法對部分測量成果進行精度比較驗證，統計結果如表1所示。

表1 精度驗證

從表1可以看出，背包式移動三維激光掃描系統的測量精度能夠滿足鐵路勘察中對于橫斷面測量、房屋拆遷調查、橋墩測量等任務的精度要求，可以對常規外業作業時間長、測量繁瑣的測量方法進行有效地更新替代，能夠更加高效率地完成相關的鐵路勘測任務。

6 結束語

隨著鐵路勘察設計向著自動化、智能化的方向發展，鐵路勘察測量工作已經初步構建完成了“空－天－地”一體化的數據采集體系。背包式移動三維激光掃描系統作為一種新興的測繪手段，能夠對現有測量方法進行有效補充。本文結合地形測量、斷面測量、房屋拆遷調查、橋墩測量、涵洞丈量等勘測任務介紹了背包式移動三維激光掃描系統在鐵路勘測中的應用，并在合武高鐵湖北段進行精度驗證，證明了該方法的有效性，具有廣闊的應用前景。