基于多源點(diǎn)云數(shù)據(jù)的鐵路線路信息化

楊志堅(jiān)

(甘肅鐵道綜合工程勘察院有限公司,甘肅 蘭州 730000)

三維激光掃描技術(shù)可實(shí)時(shí)獲取物體表面的三維空間信息和影像,具有效率高、數(shù)據(jù)密度大、數(shù)據(jù)質(zhì)量好等特點(diǎn)。然而,與激光掃描系統(tǒng)的快速獲取能力相比,數(shù)據(jù)處理的能力明顯滯后。處理海量線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)沒(méi)有專業(yè)的軟件,只能基于通用軟件進(jìn)行操作;而通用算法與線路長(zhǎng)帶狀特性不匹配,導(dǎo)致數(shù)據(jù)加載慢,且功能分散,常需要多個(gè)軟件進(jìn)行聯(lián)合操作,效率低下;數(shù)據(jù)后處理過(guò)于依賴人工經(jīng)驗(yàn),導(dǎo)致自動(dòng)化程度不高。隨著鐵路數(shù)字孿生技術(shù)的深入發(fā)展,面臨著多源數(shù)據(jù)融合、智能化場(chǎng)景理解、初級(jí)可視量算升級(jí)到高級(jí)計(jì)算分析等諸多新要求。根據(jù)行業(yè)需要,梳理既有線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程,結(jié)合線路特性整合及改進(jìn)既有點(diǎn)云處理相關(guān)算法,進(jìn)行線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā),是激光掃描技術(shù)在鐵路建設(shè)領(lǐng)域?qū)I(yè)化應(yīng)用亟待解決的問(wèn)題。

目前,國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者針對(duì)鋼軌點(diǎn)云的采集[1-3]、濾波[4-7]、分割[8-9]、特征提取[10-11]等方面做了大量研究,取得了顯著進(jìn)展,進(jìn)一步提高了鋼軌點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理效率和準(zhǔn)確性。本文基于點(diǎn)云數(shù)據(jù),分段解算線路中點(diǎn)位置信息,實(shí)現(xiàn)線路全線中線點(diǎn)的提取,擬合線路走向;針對(duì)分割后點(diǎn)云數(shù)據(jù)的幾何特征,提取線路縱、橫斷面及水平切片;從既有線車站點(diǎn)云數(shù)據(jù)中識(shí)別站內(nèi)附屬結(jié)構(gòu)物屬性及位置信息,對(duì)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維實(shí)景建模。

1 線路點(diǎn)云中心線提取

為提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理效率,需在保證點(diǎn)云精度的前提下對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,主要包括濾波與精簡(jiǎn)[12-13]。進(jìn)行濾波時(shí),充分考慮點(diǎn)云自身包含的數(shù)據(jù)信息特點(diǎn),并結(jié)合被掃描物體的結(jié)構(gòu)特征,提高算法效率及精度;精簡(jiǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用體素化法,用重心點(diǎn)代替體素內(nèi)所有點(diǎn)的空間位置,達(dá)到數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)的目的。

圖1 線路中線點(diǎn)提取算法

重復(fù)上述步驟,依次遍歷所有鋼軌頂面點(diǎn)片段,按50 cm間隔提取鋼軌頂面中點(diǎn),由左右股鋼軌頂面中點(diǎn)進(jìn)一步解算線路中線點(diǎn),如圖2所示。

圖2 線路中線點(diǎn)提取

2 線路剖面地形數(shù)據(jù)提取

2.1 線路平面線形數(shù)據(jù)提取

鐵路線路平面線形數(shù)據(jù)的提取重點(diǎn)在于線路離散化點(diǎn)云特征的分離和重組,本質(zhì)是鋼軌點(diǎn)云數(shù)據(jù)在整體點(diǎn)云模型中分割后的幾何特征提取及線形條件約束,可通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)。

(1)基于色域聚類的鋼軌點(diǎn)云集構(gòu)建。無(wú)人機(jī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要針對(duì)不同線路建筑物或軌道設(shè)備分類構(gòu)建點(diǎn)云信息集合。這就要求將鋼軌坐標(biāo)信息從龐大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫(kù)中剝離出來(lái),但鋼軌點(diǎn)云數(shù)據(jù)因其結(jié)構(gòu)的交錯(cuò)性,無(wú)法實(shí)現(xiàn)直接精準(zhǔn)的讀取。本文借助無(wú)人機(jī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的XYZ+RGB三通道特性,設(shè)置鋼軌遍尋種子點(diǎn),以RGB數(shù)據(jù)為判別指標(biāo),訪尋具有與鋼軌相同RGB特性的點(diǎn)聚類,從而將鋼軌與軌道其他結(jié)構(gòu)物分離,提取鋼軌點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

(2)鋼軌幾何特征重構(gòu)。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)向線路平面投影,將三維點(diǎn)云作平面化二維處理,利用色域聚類點(diǎn)云數(shù)據(jù)剝離辦法,找尋鋼軌二維輪廓坐標(biāo)范圍,在范圍內(nèi)的原始點(diǎn)云三維數(shù)據(jù)即為鋼軌點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用該方法對(duì)數(shù)據(jù)重構(gòu)不受線路走向和高程的變化影響,但提取的鋼軌點(diǎn)云數(shù)據(jù)因扣件等與鋼軌同質(zhì)材料,點(diǎn)云數(shù)據(jù)噪點(diǎn)多。考慮鋼軌在線路平面上的高度優(yōu)勢(shì),應(yīng)用RANSAC隨機(jī)采樣一致性算法設(shè)置數(shù)據(jù)高程閾值,結(jié)合鋼軌制造出廠檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定收斂條件,可對(duì)提取點(diǎn)進(jìn)一步篩選,得到鋼軌幾何特征。

受無(wú)人機(jī)點(diǎn)云采樣密度、線路遮擋、數(shù)據(jù)篩選等因素影響,經(jīng)上述措施處理得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)斷鏈,需結(jié)合鋼軌標(biāo)準(zhǔn)斷面基于三次樣條插值求解三彎矩方程組,完成篩選點(diǎn)的擬合。擬合步長(zhǎng)越短,數(shù)據(jù)越精確,但計(jì)算耗時(shí)越長(zhǎng)。經(jīng)測(cè)試,擬合步長(zhǎng)設(shè)置為1 m時(shí),可有效補(bǔ)充數(shù)據(jù)斷鏈。

(3)線路中心線重構(gòu)。在已得鋼軌點(diǎn)云集中,提取最高點(diǎn)下16 mm的點(diǎn)云數(shù)據(jù),以鋼軌軌頭厚度作為判別標(biāo)準(zhǔn)保留線路中心線近側(cè)鋼軌點(diǎn)云數(shù)據(jù),設(shè)置步長(zhǎng)為1 m、厚度為10 mm、垂直于線路走向的數(shù)據(jù)切片,將點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝在10 mm的單元中,對(duì)單元中所有點(diǎn)的坐標(biāo)取平均值,再求解兩側(cè)單元坐標(biāo)平均值的中點(diǎn)坐標(biāo),可獲得線路中心線。切片厚度越小,數(shù)據(jù)約精準(zhǔn),但點(diǎn)云數(shù)據(jù)越少,當(dāng)鋼軌點(diǎn)云數(shù)據(jù)稀疏時(shí),還會(huì)有數(shù)據(jù)缺失,致使線路中心線產(chǎn)生嚴(yán)重偏差。經(jīng)測(cè)試,切片厚度設(shè)置為10 mm,可滿足數(shù)據(jù)精度要求。

2.2 線路縱橫斷面數(shù)據(jù)提取

2.2.1 線路縱斷面提取

線路中心線可以通過(guò)一個(gè)三維點(diǎn)位和方向向量表示。其中三維點(diǎn)位可以確定線路斷面的位置,方向向量可表征斷面的方向。

2.2.2 線路橫斷面提取

鐵路中線空間線形中任意里程處的橫斷面必須與線路中線嚴(yán)格垂直。選取線路中任一里程CK,結(jié)合里程處的法線斜率,得到該點(diǎn)里程處的斷面方程。同縱斷面提取原理,對(duì)橫斷面點(diǎn)云曲線進(jìn)行降噪、擬合,設(shè)定高程、里程標(biāo)尺,繪制線路橫斷面圖。

3 線路附屬結(jié)構(gòu)物特征提取

3.1 接觸線的提取

鐵路接觸網(wǎng)主要采用鏈形接觸懸掛的形式架設(shè)在線路上方。鏈形接觸懸掛主要由接觸線、吊弦、承力索等組成[14],如圖3所示。采用主成分分析法(principal component analysis,PCA),根據(jù)k鄰域方法提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。將代表該點(diǎn)最大主方向的特征值λ1作為特征向量v1,設(shè)置v1在Z方向上的分量v1z閾值,超過(guò)閾值,則判定為雜項(xiàng)點(diǎn),予以剔除,只保留閾值內(nèi)的點(diǎn),從而獲得與水平面平行的線狀點(diǎn)云。

圖3 鏈形懸掛示意

考慮接觸線與承力索和回流線的距離特性,接觸線點(diǎn)云數(shù)據(jù)可利用激光點(diǎn)聚類法搜尋搜尋滿足條件di

圖4 移動(dòng)激光點(diǎn)聚類原理

圖5 接觸線點(diǎn)云提取結(jié)果

3.2 站內(nèi)附屬設(shè)備識(shí)別

通過(guò)點(diǎn)云預(yù)處理軟件分割獲得車站點(diǎn)云數(shù)據(jù),如圖6所示,并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行站內(nèi)附屬設(shè)備識(shí)別提取。

鐵路站臺(tái)為運(yùn)輸生產(chǎn)中重要的服務(wù)設(shè)施,而站臺(tái)限界檢測(cè)是鐵路安全運(yùn)輸重要保障,因此需嚴(yán)格控制站臺(tái)與列車之間的空隙大小。

在提取線路中心線基礎(chǔ)上,按照《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路限界第2部分:建筑限界》(GB 146.2—2020)規(guī)范要求,旅客站臺(tái)建筑限界距離線路中線1750 mm,設(shè)置參數(shù)提取站臺(tái)界限,并將站臺(tái)范圍以坐標(biāo)形式存儲(chǔ)在Excel表格中。圖7為提取的部分站臺(tái)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖7 站臺(tái)點(diǎn)云數(shù)據(jù)

導(dǎo)線支柱作為車站內(nèi)又一重要構(gòu)筑物,其位置同樣影響行車安全。識(shí)別支柱位置也是研究的重要內(nèi)容,根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)反射率識(shí)別支柱,如圖8所示。

圖8 車站導(dǎo)線支柱點(diǎn)云

4 軌道結(jié)構(gòu)三維實(shí)景建模

4.1 鋼軌線路提取

點(diǎn)云分割是根據(jù)點(diǎn)云空間分布特征、幾何特征、紋理特征等進(jìn)行劃分,使得相同劃分內(nèi)的點(diǎn)云擁有相似的特征[15]。

設(shè)定鋼軌反射強(qiáng)度閾值I,濾除與鋼軌反射特性不符的點(diǎn),減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)量,提高分割效率,篩選后點(diǎn)云的體積為篩選前的2%;選取起始里程端一點(diǎn)作為種子點(diǎn),根據(jù)鋼軌幾何尺寸設(shè)定空間距離閾值R篩選;在篩選點(diǎn)集中找到距種子點(diǎn)最遠(yuǎn)的點(diǎn)逐步替換種子點(diǎn),繼續(xù)篩選,直至篩選出單個(gè)點(diǎn)云文件內(nèi)的單根鋼軌點(diǎn);根據(jù)文件編號(hào)提取全線鋼軌。

4.2 軌道結(jié)構(gòu)三維建模及應(yīng)用

鋼軌點(diǎn)云是無(wú)任何拓?fù)湫畔⒌碾x散點(diǎn)集,為還原鋼軌模型,需將鋼軌點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行模型封裝。點(diǎn)云封裝實(shí)質(zhì)是利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造微小的空間三角形,使之近似代替模型表面實(shí)現(xiàn)模型重建,如圖9所示。

圖9 鋼軌封裝模型

依次封裝左右股鋼軌,利用封裝的鋼軌模型切片進(jìn)行軌距測(cè)量,從而提取鋼軌截面幾何特性參數(shù)。

(1)選取鋼軌最高點(diǎn),擬合與鋼軌頂面重合的初始截面,如圖10(a)所示。

圖10 提取鋼軌截面幾何特性參數(shù)

(2)將初始截面向下平移16 mm獲取特征截面Ⅰ,刪除特征截面以上的封裝模型,如圖10(b)所示。

(3)將特征截面Ⅰ豎直向下平移0.1 mm獲得特征截面Ⅱ,刪除特征截面Ⅱ以下的封裝模型,保留鋼軌內(nèi)側(cè)薄片模型,作為軌距測(cè)量邊線。圖10(c)中右側(cè)薄片模型為左軌軌距測(cè)量邊線。

(4)將左右軌距測(cè)量邊線導(dǎo)入CAD,利用VBA語(yǔ)言按1 m間距繪制軌距測(cè)量邊線的法線,刪除超過(guò)軌距測(cè)量邊線范圍的法線,調(diào)用距離查詢命令,可測(cè)得軌距值,如圖10(d)所示。

利用Revit軟件,以60鋼軌、新Ⅱ型枕、彈條Ⅱ型扣件為例,繪制鋼軌結(jié)構(gòu)模型,如圖11所示。

圖11 鋼軌結(jié)構(gòu)模型

4.3 模型的裝配

軌道結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫(kù)創(chuàng)建完成后,需要對(duì)各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行裝配,組成線路一體化模型。為了減少工作量,通過(guò)分析軌道構(gòu)件的特點(diǎn),將創(chuàng)建好的軌枕和扣件系統(tǒng)模型在Revit的一個(gè)族樣板中進(jìn)行整合,形成軌枕嵌套族[16]。如圖12所示,可將單個(gè)軌枕模型載入“公制常規(guī)模型.rft”族樣板,隨后將扣件系統(tǒng)各族按圖紙與軌枕拼接,形成嵌套族。

圖12 軌枕嵌套族

利用Dynamo將軌枕嵌套族沿線路中心線進(jìn)行裝配,具體思路為:把嵌套族的數(shù)量進(jìn)行參數(shù)化,嵌套族的個(gè)數(shù)=線路長(zhǎng)度/軌枕間距,調(diào)用“Curve.PointAtParameter”節(jié)點(diǎn)在線路中心線上獲取與嵌套族個(gè)數(shù)等數(shù)量的點(diǎn),基于這些參照點(diǎn),運(yùn)行Dynamo驅(qū)動(dòng)布置程序即可完成嵌套族的裝配。隨后將已創(chuàng)建好的鋼軌與道床族載入該項(xiàng)目文件,最終裝配成果如圖13所示。軌道結(jié)構(gòu)三維模型也可利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)按里程生成。

圖13 有砟軌道模型裝配成果

5 結(jié) 論

(1)本文采用以反射強(qiáng)度數(shù)值和線路幾何約束為條件的線路鋼軌點(diǎn)云融合濾波方法,得到輕量化的鋼軌點(diǎn)云數(shù)據(jù);借助微分思想以直代曲分段擬合鋼軌頂面中線,分段解算鋼軌頂面中點(diǎn)與線路中點(diǎn)位置信息,實(shí)現(xiàn)線路全線中線點(diǎn)的提取。

(2)應(yīng)用RANSAC隨機(jī)采樣一致性算法確定鋼軌點(diǎn)云模型位于軌腰部分的投影平面并實(shí)現(xiàn)降維處理,以高速鐵路所用鋼軌軌頭寬度允許誤差作為收斂條件,建立鋼軌模型,提取線路平面線,再根據(jù)縱橫斷面與平面線的關(guān)系提取其數(shù)據(jù)。

(3)利用主成分分析法和移動(dòng)激光點(diǎn)聚類法提取鐵路接觸線的算法,并通過(guò)點(diǎn)云預(yù)處理軟件分割獲得車站點(diǎn)云數(shù)據(jù),以《建筑限界》規(guī)范要求作為約束條件提取站臺(tái)界限,提取坐標(biāo)數(shù)據(jù),按照工程圖例規(guī)范要求,實(shí)現(xiàn)站內(nèi)建、構(gòu)筑物標(biāo)識(shí)功能。

(4)基于反射強(qiáng)度的區(qū)域增長(zhǎng)分割算法,實(shí)現(xiàn)了鋼軌的快速分割。主要研究基于Revit的鐵路關(guān)鍵工點(diǎn)構(gòu)造物BIM化建模方法,對(duì)線路上部軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體拆分,建立軌道結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件族庫(kù)。采用Dynamo編程語(yǔ)言對(duì)Revit進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),可以快速創(chuàng)建軌道施工BIM模型,為關(guān)鍵工點(diǎn)的BIM化建模提供算法支持。