天宝SX10地面激光扫描仪在铁路工点勘察中的应用

曹思语，曹成度，李海亮

(1. 武汉市第十四中学，湖北 武汉 430060； 2. 中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

在新建铁路的设计工作中，为了优化线路方案、设计重点桥梁的桥型桥式、选择隧道进出口、排查不良地质等工作，需要对重要工点进行精细勘察。当前，工点勘察主要采用常规GPS、全站仪等手段人工实地测绘完成。由于铁路重要工点多地处险、难环境下，采用常规方法存在工作效率低、安全风险大等问题[1]。

地面三维激光扫描技术作为一种三维空间信息数据实时获取技术，近年来得到了迅猛发展，该技术可以在外业以主动、高效、非接触的方式获取被测目标的高精度、高密度三维点云[2-4]，后期在内业对三维点云进行处理、分析和数据挖掘，生产所需的数据成果[5-6]。该技术将大部分繁重的外业工作转移到内业完成，特别适合工点勘察。

本文以天宝SX10地面三维激光扫描仪为例，对地面三维激光雷达技术在铁路工点勘察中的应用进行研究，提出作业方案和流程，从而提高工点勘察的作业效率、成果质量和安全系数。

1 天宝SX10地面激光扫描仪

SX10地面三维激光扫描仪是天宝公司于2016年下半年推出的新一代激光扫描仪，如图1所示。Trimble SX10激光扫描仪将测量、影像和高速扫描集成为一体，为工程、测绘等专业技术人员提供了创新的解决方案。该扫描仪具有以下特点：

(1) 集测量、影像和高速三维扫描于一体的革命性解决方案，不仅是一台地面激光扫描仪，同时也可以作为全站仪和影像全站仪使用。

(2) 扫描速度高达每秒26 600个点，测程可达600 m，点尺寸100 m处仅14 mm。

(3) 可采用全站仪建站方式完成设站，建站精度高、效率高，无需反射靶标。

(4) 改进的Trimble VISION技术允许快速和方便地获取高分辨率工地影像。

(5) 后期数据处理TBC软件功能强大，可快速、高效地完成数据处理和成果生产。

图1 天宝SX10地面激光扫描仪

2 作业方案

2.1 地面激光雷达数据采集

2.1.1 采集方案设计

为了项目能够顺利实施，应在采集前进行方案设计。方案设计时，应对项目现场进行踏勘，收集现场控制点等既有资料，了解扫描对象的范围、空间分布、精度和分辨率要求等[7]。

完整的技术设计方案包括项目概况、技术设计依据、测量控制点布设方案、扫描仪选择与参数设置、扫描数据拼接方案、数据处理方案、提交的成果、项目的工作进度计划、人员分组、后勤保障等[8]。

2.2.2 控制网布设

控制网的设计应充分考虑项目精度需求[9]。天宝SX10地面激光扫描仪的设站方式比较独特，可采用全站仪建站方式完成设站，建站精度高、效率高。在进行控制网布设时，应充分考虑扫描仪设站位置，可根据项目现场实际情况灵活选择定向方法。本文推荐采用自由设站法，即保证任一架站点能够通视两个已知点，通过空间后方交会设站。控制网施测方法可根据项目精度需求进行设计。

2.1.3 工点扫描

工点扫描的目的是获取完整、符合精度要求的点云数据，是后续应用的基础。扫描开始前要做好相关准备工作，主要包括仪器、人员组织、交通、后勤保障、测量控制点布设等。

天宝SX10地面激光扫描仪单站扫描的基本步骤如下：

(1) 仪器安置。在选择好的架站位置，架设仪器，连接好相关配件，对中(在需要的条件下)、整平。

(2) 设站。通过观测已知点，建立测站，推荐采用自由设站法。

(3) 扫描。通过平板电脑操作扫描仪，设置扫描参数，主要包括工程文件名、文件存储位置、扫描范围、分辨率等，确保参数设置无误后即可开始扫描。

(4) 扫描检查与换站。扫描完成后，应对点云和影像质量进行检查，确保获取了合格的数据，检查数据无误后可换站继续扫描。

2.1.4 点云数据处理

外业扫描完成后，将数据导入TBC(Trimble business center)中，对点云数据进行拼接、融合和赋色。同时，利用TBC软件的地形滤波功能滤除植被、建筑物等非地面点，最后将点云数据保存为LAS文件，用于后续应用。

2.2 地形图测绘

(1) 地物采集。在TBC软件中导入激光点云，通过三维浏览判断地物边界，并使用矢量勾绘功能绘制地物，绘制完成后将地物矢量导出为CAD格式文件，最后在CASS软件中完成地物符号化。

(2) 等高线、高程点及陡坎提取。在TBC软件中导入激光点云，并对点云根据地形特征进行抽稀后导入CASS中，基于CASS软件自动内插等高线，采集高程点，绘制陡坎。

(3) 地物编辑。将地物、等高线、高程点和陡坎等融合在CASS中进行编绘，输出地形图。

2.3 不良地质解译

在TBC软件中通过三维浏览，并切换显示方式，判识危岩落石、裂隙等不良地质信息，并基于TBC矢量勾绘功能标绘不良地质信息。不良地质解译完成后，将解译成果导出为CAD格式文件，叠加到地形图上。

2.4 断面测量

将滤波后的激光点云构建三角网，通过断面平面线与三角网求交，从而切取横、纵断面，并在横断面上标绘地物和不良地质信息。

3 工程应用

衢宁铁路是典型的山区铁路，桥隧众多，隧道口及桥台处常常存在众多危岩落石，给铁路的施工和后期运营带来了很大的隐患。

为了验证本文方法，选取衢宁铁路某隧道口进行工点勘察试验。

试验中基于铁路基础控制网在隧道口利用导线测量建立了激光扫描控制网，扫描控制网精度优于2 cm。基于扫描控制网，采用天宝SX10地面三维激光扫描仪获取了平均点间距优于10 cm的点云。

扫描完成后，利用全站仪实地采集10个地物特征点和30个高程点作为检查点，基于该检查点统计激光点云的平面和高程精度见表1。

表1 激光点云精度统计 m

基于扫描的点云数据制作了1∶500地形图，并解译了不良地质信息，如图2所示。同时根据设计要求，截取了20个横断面，为该隧道口的精细设计提供了数据支撑。

图2 工点三维点云模型及不良地质信息解译

通过该工点的应用，采用常规方法勘察约需要15 d，而采用本文方法外业采集需45 min，内业解译需30 min，工作效率显著提高，同时工点勘察质量也得到了有效保障。

4 结 论

随着铁路建设重心向中西部转移，对铁路设计提出了更高的要求[10]。传统工点勘察模式在繁重的勘察任务、高标准的质量要求和工程周期面前面临很大挑战。

地面激光雷达技术作为一种快速、准确、经济的测量方法[11]，能有效克服困难复杂地区工点勘察高精度三维地形数据获取的难题[12]，可生产铁路工点设计所需的横纵断面、地形图，提取不良地质信息。

工程实践应用表明，基于地面激光雷达技术的工点勘察方法可有效提高安全系数和成果质量，降低外业工作强度，大幅提高工作效率。