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文檔簡介
三維激光掃描移動測量在鐵路運營中的應用獲獎科研報告摘要: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(yè)里程已達12.7×104km,其中高速鐵路2.5×104km。根據(jù)2016年修編的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)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(wǎng)。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(xiàn)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(nèi)需對高速鐵路施工現(xiàn)場或運營線路進行快速、長期的監(jiān)測,如何在有限的人力、物力資源條件下提高測量技術(shù)水平,提高工作效率、確保工程質(zhì)量就顯得十分必要。
關鍵詞:三維激光掃描;移動測量;鐵路運營;應用
1三維激光掃描移動測量系統(tǒng)
1.1三維激光掃描移動測量系統(tǒng)組成
(1)電源管理單元:對整套系統(tǒng)進行供電及相應的電路保護,從而保證系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集,并將采集到的相關數(shù)據(jù)上傳至存儲系統(tǒng)中。(3)數(shù)據(jù)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(shù)獲取鐵路工程各種構(gòu)筑物的各種相關信息,主要包括點云數(shù)據(jù)、全景影像、空間位置和姿態(tài)信息等。(4)軟件處理單元:針對采集回來的數(shù)據(jù)進行分析,包括平面坐標以及高程系統(tǒng)的處理分析。對于平面坐標,采用常規(guī)高程面模型投影解算出的點云必須經(jīng)過適當?shù)钠揭?,才能轉(zhuǎn)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(tǒng)基于的則是水準高系統(tǒng),通過一定的算法將實測的大地高轉(zhuǎn)換成水準高,得到高精度的點云成果數(shù)據(jù)并可快速瀏覽。
1.2三維激光掃描移動測量的技術(shù)優(yōu)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(shù)的軌道高精度三維激光點云和高分辨率全景影響數(shù)據(jù)采集設備。(2)系統(tǒng)將控制網(wǎng)坐標動態(tài)傳遞到POS測量系統(tǒng),采用聯(lián)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(xiàn)高速鐵路軌道快速、自動、連續(xù)、無縫、高精度定位定姿測量。(3)通過點云數(shù)據(jù)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(yōu)勢,進行既有線路的路基病害、線路設施、跨線凈空資料調(diào)查,提高既有線勘測與調(diào)繪的準確性、完整性。(5)采用三維激光掃描移動測量技術(shù)改進了鐵路既有線現(xiàn)狀測量方法;減少作業(yè)流程及時間,提高了作業(yè)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(shù)據(jù)測量
2.1測試過程
2.1.1約束點的布置
(1)利用施工加密CPⅡ點作為基站約束控制點。(2)充分利用沿線已有CPⅡ及CPⅢ控制網(wǎng)進行靶標布設,CPⅡ控制點作為基站,CPⅢ控制網(wǎng)按照60m左右間隔在鐵路兩側(cè)布設成對靶標,相鄰兩個靶標布設在鐵路的不同側(cè)。靶標可以沿CPⅢ控制網(wǎng)依次不間斷進行布設,后續(xù)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(xiàn)場數(shù)據(jù)采集
本次測試同步進行標靶布設和現(xiàn)場數(shù)據(jù)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(tǒng)儀器操作員1人。
2.2掃描數(shù)據(jù)處理
2.2.1航跡解算
掃描完成后,利用車載激光掃描儀上的GPS數(shù)據(jù)與同步的地面基站數(shù)據(jù)進行差分,聯(lián)合高精度激光慣導及里程編碼器數(shù)據(jù)融合解算出高精度的航跡文件。
2.2.2設備自檢校
自檢校過程主要包括設備系統(tǒng)標定,內(nèi)部設備精度檢校。
2.3基于控制點約束校正的精度改善試驗與分析
2.3.1平面高程約束點精度統(tǒng)計
(1)間距為800m的CPⅢ點作為約束點,其他CPⅢ點作為驗證點的精度統(tǒng)計。當采用間距為800m的CPⅡ作為約束點時,其大部分測試點的精度均<1cm,個別單點平面高程精度<2cm;,但其平面及高程標準差均<1cm,滿足既有普速鐵路快速高精度檢測與測量的精度要求。(2)將測段內(nèi)所有CPⅢ點作為約束點。在測段范圍內(nèi),將所有CPⅢ點作為約束點時,其單點平面精度<1cm;其高程精度<1cm,滿足高速鐵路工程測量規(guī)范的精度要求。
2.3.2軌面高程提取精度統(tǒng)計
在測段范圍內(nèi),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。約束點的精度越高,點云數(shù)據(jù)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20mm”的要求。
3鐵路大修軌道數(shù)據(jù)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(lián)合作業(yè),采用移動式三維激光測量系統(tǒng)進行既有線現(xiàn)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(qū)、廣漢市、彭州市。(3)項目范圍:由青白江區(qū)至彭縣段約32km的既有線三維掃描生產(chǎn)。
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(tài)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(lián)測。(2)在K0+000~K32+000段,沿線路兩側(cè)分別布置平面高程約束點;點間距離500m左右,一側(cè)編號為GP-*作為靶標約束點,另外一側(cè)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(zhì)方樁(中心釘鋼釘,方樁宜高出地面5cm,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。
3.3數(shù)據(jù)采集
(1)K0+000~K32+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(shù)據(jù)作為對比數(shù)據(jù)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30km/h的速度進行數(shù)據(jù)移動掃描采集。
3.4數(shù)據(jù)處理
3.4.1點云數(shù)據(jù)處理
1)航跡解算。掃描完成后,利用車載激光掃描儀上的GPS數(shù)據(jù)與同步的地面基站數(shù)據(jù)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(tǒng)標定,內(nèi)部設備精度檢校。3)激光雷達數(shù)據(jù)融合糾偏解算。完成以上工作后,即可進行數(shù)據(jù)解算,融合得到初步激光雷達數(shù)據(jù)。之后利用現(xiàn)場采集到的控制點進行點云高程改正,得到最終點云數(shù)據(jù)。
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。
3.4.3里程中心線的準確提取
確定起點里程K0+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(shù)指標,后續(xù)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。
結(jié)論
在高
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