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

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