三維激光掃描技術在既有軌道檢測中的應用

摘" 要：在既有軌道檢測中，傳統接觸式測量的檢測方法存在速度慢、影響列車運營、威脅測量人員人身安全等缺陷。該文采用三維激光掃描技術與傳統檢測方法相結合的形式，利用萬能道尺、RTK技術、水準儀和全站儀等儀器對測區內長480 m軌道進行接觸式測量；同時結合三維激光掃描技術進行全景掃描，基于三維激光掃描儀獲取的目標線路點云數據進行點云處理，對線路進行封裝并提取目標線路特征值。經對所有現場采集的數據做后期處理及比對發現，掃描儀獲取的點云數據經切片可以得到的軌道特征值均與傳統勘測方法獲取的數值相差，而且勘測速度、質量都有所提高，降低勞動強度和周期，完全可以滿足現代既有軌道檢測要求。

關鍵詞：三維激光掃描技術；既有軌道；檢測；點云處理；數據提取

中圖分類號：U212.2" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）25-0189-04

Abstract： In the existing track inspection， the traditional contact measurement detection methods are slow， affect train operation， threaten the personal safety of measuring personnel， and so on. This paper adopts the combination of 3D laser scanning technology and traditional detection methods， and uses universal ruler， RTK technology， level， total station and other instruments to measure the track with a length of 480 m in the survey area; at the same time， based on 3D laser scanning technology for panoramic scanning， point cloud processing based on the point cloud data of the target line obtained by 3D laser scanner， the line is encapsulated and the eigenvalues of the target line are extracted. After post-processing and comparison of all the data collected in the field， it is found that the track characteristic values obtained by slicing the point cloud data obtained by scanner are different from those obtained by traditional survey methods， and the survey speed and quality have been improved， and the labor intensity and cycle have been reduced. It can fully meet the requirements of modern existing track detection.

Keywords： 3D laser scanning technology; existing orbit; detection; point cloud processing; data extraction

保證生產安全是鐵路運輸恒久不變的主題，鐵路運輸業的基礎設備是線路設備，其常年經受列車荷載的作用和風雨凍融的影響，從而引發軌道幾何尺寸漸漸變化，比如路基和道床的變形，聯結零件、鋼軌、軌枕的磨損，這些均會引起鐵路線路設備狀態的變化[1]。因此，為確保鐵路線路質量、保證鐵路運輸安全就需要做好及時掌握鐵路線路設備的變化規律，檢測線路以便了解線路技術狀態，加強鐵路線路檢驗勘測管理等基礎工作。

1" 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術是獲取物體空間數據的一種新方法。與傳統測量方法相比，三維激光掃描技術可以連續、自動、快速地采集目標表面上的大量三維點數據，即點云（Point Clouds）[2]。該項技術具有許多獨特的優點，如快速數據采集、實時性能、數據量大、精度高、強大的主動性、可以全天候工作、全數字功能、信息傳輸處理和表達很容易，從而提高測量效率，拓寬測繪技術的應用領域，大大改善了現場測繪的工作環境，成為測繪領域流行的新技術手段。

三維激光掃描系統由三維激光掃描儀、電源、系統軟件及附屬設備構成[3]。三維激光掃描儀的構造主要包括：一臺高速精確的激光測距系統、水平方位偏轉控制器、一組引導激光反射并以均勻角速度掃描的反射棱鏡、數據輸出處理器（筆記本電腦）和高角度偏轉控制器，部分儀器還具有內置的數碼相機，可以直接獲得目標物的影像[4]。通過傳動裝置的掃描運動，完成對物體的全方位掃描，通過一系列處理獲取目標物表面的點云數據[5]。

三維激光掃描技術利用激光的獨特和出色的性能在各種現場環境中穿透目標，將三維數據完全收集在計算機中，快速準確地重建待測量物體的三維模型，三維場景模型在古建筑重建、虛擬現實、地形測量、數字城市、城市規劃和智能交通等領域具有廣泛的應用前景和價值，是三維激光掃描技術發展的一個重要方向。該技術已廣泛應用于古建筑修復、文物保護、地形測繪、道路測量、邊坡監測與數字化校園等領域，遠程激光掃描儀可用于滑坡監測、山體滑坡、塌岸、礦山塌陷及難以到達的地形監測和體積計算等方面，并可有效監測和控制變化的范圍和程度，有效應用于防災減災。中程激光掃描儀主要用于船閘、大壩、橋梁的變形監測。

2" 三維激光掃描儀數據采集

激光掃描數據采集實施階段主要分為3個階段：掃描目標的選擇、控制點的布局、測量目標全景掃描[6]。與其他傳統測量一樣，激光掃描控制測量也包括2部分，即平面控制測量和高程控制測量。在三維激光掃描儀掃描過程中，需將每站所采集的數據，按照對應站點命名并保存數據，并且在保存每站數據前實時檢查數據，最大限度降低采集誤差。

現場測量采集數據時，三維激光掃描儀的掃描距離受到限制，同時便于對數據進行保存和分析，需要對掃描一次無法完成的目標（例如鐵路線、高速公路等）執行多站掃描。為了將多個臺站獲得的數據連接成一個整體，掃描2個相鄰臺站上需要一些公共點。一般來說，在這些共同的點上放置一些共同的標志，該標志如圖1所示，拼接每個工作站的數據。由于球面參考標志具有結構穩定、表面分布均勻、光亮而不反光和直徑足夠大等優點，對于直徑為120 mm的球體（圖2），其直徑的限差為-0.25 mmlt;dlt;0.2 mm，最大不圓度為0.1 mm，精度相對于其他標志較好。為了不影響列車運行，盡量減少鐵路運行對掃描的影響，在布置標靶之前，必須先確定數據收集的時間間隔。如果采集間隔過大，不僅會受到觀察條件的限制，而且后期內部數據處理的精度也會降低，不能達到預期的采集效果。如果采集間隔太小，收集到的點云數據將會過大，數據傳輸和存儲過程中運行緩慢，導致工作效率低下，同樣不能滿足要求。

本文將激光掃描儀安置在2個軌道之間，對現場480 m鐵路軌道進行全景掃描。由于在掃描鐵路軌道條狀結構時可能存在障礙物，因此在鐵路上進行激光掃描時需要完成清障并進行多站掃描。根據本實驗所選用的三維掃描儀的有效掃描距離，以20 m設一站，將3個目標球體作為控制點布置在2個相鄰站點重疊位置，為后續點云數據預處理使用，在掃描過程中，目標被安排在激光掃描儀前后3 m處。

3" 點云數據預處理

數據的預處理指的是直接在點云數據上操作，主要包括數據濾波、數據縮減、數據特征提取、數據多視對齊和數據分割等[7]。數據縮減主要是由于數據量太大，為了提高工作效率，適當對數據進行減少；數據拼接是將多站測量得到的點云數據拼接成一個整體；數據濾波主要是減少點云數據的噪聲點；數據多視對齊是數據拼合和拼合后冗余數據處理；數據特征提取是針對目標數據而對點云數據進行部分數據提取；數據分割是將點云數據劃分成不同的塊，以方便提取需要的數據參數[8]。最終得到3D模型、各種影像等，在鐵路測量中可以對軌道幾何形位數據進行提取。

采用中海達三維激光點云瀏覽軟件HD 3LS SCENE View對軌道點云數據進行處理，軟件功能包括：點云數據瀏覽、點云渲染、點云選擇、量測分析、工具管理及數據導入導出。三維瀏覽提供多種瀏覽工具，如三維自由瀏覽、查看全部、拉框放大、拉框縮小、設置旋轉中心和選擇觀察點；俯視圖點云渲染包括三維點云視圖渲染顯示方式、渲染設置及點顯示尺寸大小設置。

在實際測量中，受以下客觀條件影響，同一物體上測得的多個數據具有不同的基準，需要在建模之前進行拼接。

首次，物體的形狀很復雜。測量儀器不能一次完成整個表面的測量，并且物體表面的測量需要從多個角度進行。

其次，物體尺寸過大超出了測量儀器的測量范圍，需要進行多個區域測量，例如本實驗的目標軌道。

最后，在測量過程中需要對物體進行固定或夾緊，因為只測一次不能獲得物體表面的所有數據，需要分別對固定或夾緊部分進行測量。現有的點云拼接技術根據處理過程可分為粗拼和精拼。目前主要采用3種拼接方法：①采用專用測量儀器直接拼接測量數據，該方法相對簡單快捷。它的精度取決于硬件，但是它的系統通常非常昂貴，且不能滿足任意角度測量。②通過在測量表面粘附標記或放置目標，通過標記來拼接相鄰2站點云數據。這種方法需要足夠數量的標記（2個站之間至少有3個相同的標記），但是這種方法用于復雜地形是受限的。③利用點云數據拼接算法，將各站的掃描數據拼接成同一坐標系。這種拼接方法的精度主要取決于拼接算法的優缺點，這種方法大致可以分為基于點信息的拼接算法、動態拼接算法和基于影響的拼接算法。在本次實驗數據處理中，采用針對于中海達Z+F高精度三維激光掃描儀配套的中海達三維激光點云瀏覽軟件HD 3LS SCENE View。由于軟件本身具有拼接功能，其準確度完全可以滿足規范要求，該軟件用于直接進行點云數據拼接，如圖3所示為軌道24站點云數據拼接完成圖像。

數據拼接的誤差主要是坐標配準誤差。三維激光掃描儀工作時，通常會將周圍的物體分成幾個區域，區域會有相互重疊，每個區域都被分別掃描和測量。為了實現表面重建，需進行一系列的數據處理。坐標校正是將多坐標系統掃描數據集統一到坐標系中的一種方法。不管選擇何種配準方法，都要選擇同名點，同名點的選擇直接影響到配準的準確性。不論采用標靶糾正還是采用點云進行糾正，誤差不可避免地會存在，對于大型目標物的掃描，通常需要掃描多站，把各測站的標靶組成一個閉合環。

4" 軌道結構特征數據提取

為方便比對數據，對整段軌道取封裝效果較好且屬直線部分進行了切片[9-10]，圖4將截取的切片數據進行三維旋轉得到軌道道床的橫截面形式通過擬合，使用Geomagic軟件輸出.dxf 格式，導入CAD，在CAD 中進行軌道橫截面數據提取。從圖5可以看出，沿內外軌道頂面向下移動16 mm的點，量取軌距，量測結果為1.446 m。經分析，與標準軌距1.435 m之間產生的誤差原因一是由于無法確保精確的軌道表面，二是因為在量距時無法保證垂直測量，亦因角度產生了誤差。道砟厚度為0.243 m，底部道砟寬度為4.663 m，路肩寬度0.602 m。針對于提取方法可知，在近距離范圍內，道砟寬度不會有太大變化，近似可以視為同一數值，故可根據這個橫截面設計鋪砟量，進而得到道砟缺失量或者過鋪量來指導道砟的鋪設。由圖4和圖5可以看出，經過對所有現場采集的數據做后期處理及比對發現，掃描儀獲取的點云數據無論是坐標還是經切片得到的軌道特征值，均與傳統勘測方法獲取的數值相差，因而三維激光掃描技術完全可以滿足現代既有軌道檢測要求。

5" 結論

本文利用三維激光掃描儀對某廠內480 m軌道進行全景掃描，并基于三維激光掃描儀獲取的目標線路點云數據，結合數據后處理軟件HDscene及Geomagic進行點云處理，對線路進行封裝并提取目標線路特征值。將提取出的軌道橫斷面，運用CAD軟件提取軌道的幾何形位要素，幫助直觀地分析點云數據。經對所有現場采集的數據做后期處理及比對發現，掃描儀獲取的點云數據無論是坐標還是經切片得到的軌道特征值，均與傳統勘測方法獲取的數值相差，因而三維激光掃描技術完全可以滿足現代既有軌道檢測要求。三維激光掃描技術既極大地提高了檢測效率，又不影響列車運營，同時也提高了列車運營效率，測量儀器的安全和測量人員的人身安全也有了保證。利用三維激光掃描儀進行既有軌道勘測，激光掃描的不接觸性、準確性、高效性更加符合現代檢測要求，會推動鐵路線路檢測設計現代化、智能化的進程，從而加快鐵路事業更好更快發展。

參考文獻：

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