移动三维激光扫描系统在铁路限界测量中的应用

杜兆宇

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

近年来，我国铁路发展日新月异，针对铁路运行出现的新问题，采用行之有效的新技术保证铁路运输安全，更好地为铁路运输服务成为实现铁路可持续发展的重点[1]。

限界是指为了确保机车车辆在铁路线路上运行的安全，防止机车车辆撞击邻近线路的建筑物和设备，而对机车车辆和接近线路的建筑物、设备所规定的不允许超越的轮廓尺寸线。铁路限界包括机车车辆限界和建筑限界，其中建筑限界是为了保证列车运行安全，要求靠近铁路线路修建的建筑物及设备，不得侵入规定的与线路中心线垂直断面的轮廓尺寸线[2]。

目前广泛运用的铁路限界测量方法大体可以分为接触式和非接触式两种。横断面法、综合断面法和轨迹法都属于接触式检测，特点是需要人工操作，在对房屋、站台、雨棚等建筑物或设备进行检测时，主要依靠原始手工测量，工作量大、效率低下、可靠性低、准确性低[3- 4]。非接触式方法包括断面摄像法和激光扫描法。基于断面摄像法的限界检测车自动化程度较高，但仅能对隧道进行检测，对隧道外的通信线路、回流线和电力线等无法检测，并受光线的干扰较大[5- 6]。激光扫描法作为铁路限界测量的新方法，具有快速、精度高、无接触的优势，近几年也逐步应用于铁路限界测量中[7]。

1 研究区域及测量方法

1.1 研究区概况

柳南城际铁路，又称柳南客运专线，是广西第一条城际高速铁路，线路起自广西柳州市，经来宾市、宾阳县，止于南宁市，全长225.6 km，设计时速250 km/h。柳南客运专线于2009年10月正式开工，2013年12月30日建成通车。本次限界测量范围为K0+000～K110+000段，全长110 km，测量的限界对象为上下行线间距、桥梁偏心、隧道限界、接触网线及接触网杆限界等。

1.2 测量方法

移动三维激光扫描系统的基础是移动三维激光扫描仪和数据处理软件。其中，移动三维激光扫描仪是将三维激光扫描设备、卫星定位模块、惯性测量装置、里程计、360°全景相机、总成控制模块和高性能板卡计算机集成并封装于机车的刚性平台之上。在机车移动过程中，可快速获取高精度定位定姿数据、高密度三维点云和高清连续全景影像数据，通过统一的地理参考和摄影测量解析处理，实现无控制的空间地理信息采集与建库。

利用移动车载扫描仪可以快速采集铁路两侧几十至几百米范围内海量点云数据，其特点是无接触、效率高、信息量丰富。基于获取的激光点云数据提取线路中心线，以此线路中心线为基准线，将车辆限界的轮廓线加载至激光点云中，分段统计侵线值，并备注侵线构筑物属性，如图1所示。

2 基本步骤

2.1 系统检校标定

为了保证移动三维激光扫描系统长途运输过程中的安全，在长途运输前往往会将整个系统拆分装箱，运输到现场时再将系统重新组装。这样会产生一个问题，即设备的原标定参数和设备在平板车上安装之后相对位置在重新组装后已经失效，需要重新进行系统检校。

(1) 设备标定参数检校。将移动三维激光扫描系统重新组装至刚性云台上，并安装到专用的越野车行李架上，系统检校行驶路线如图2所示。

沿着检校场十字路口的两条道路进行扫描，每条道路需要往返两个方向。行驶过程中尽量保持等速行驶和直线行驶，如果转弯，应尽量缓和。使用最大扫描频率及第二高的脉冲发射频率。然后通过LMS进行系统标定参数的计算，即可完成系统检校。

(2) 设备固定至平板车后的标定。移动三维激光扫描系统安装至平板车上之后，需要对设备各个传感器之间的相对位置进行测量，计算标定参数，以保证系统采集三维点云的精度。自定义一个坐标系，测量全站仪测量惯导中心、GNSS天线中心和DMI中心的坐标，通过它们的相对坐标进行标定参数解算，传感器相对位置的测量精度要求误差在1 mm以内。

2.2 点云数据采集

将线下CPI点(带高程)作为GNSS地面基站控制点与移动三维扫描设备配合测量。本次铁路测量线路较长，为保证全程GNSS信号稳定性与连续性，沿线路每12 km左右布设一个GNSS地面基站。每次扫描前，GNSS地面基站都提前1 h开机，并与移动三维扫描系统的POS系统进行同步。在正式扫描开始前，需要对设备进行初始化，初始化时间为15 min。列车在行进过程中尽量保持匀速，列车行驶平稳后，速度为50～80 km/h。

2.3 点云数据处理

(1) 轨迹线解算。基于地面GNSS接收机数据，利用车载三维激光扫描仪自带的软件进行轨迹线的解算。

(2) LCP文件更新。LCP文件包括车载扫描仪两个扫描头及POS之间的相对位置关系参数，根据检校场数据对参数进行解算，将解算的参数生成LCP文件。

(3) 点云数据纠正。基于LCP文件对扫描仪原始点云进行纠正、去噪，输出最终需要的LAS格式的点云数据。

(4) 各特征数据提取。提前收集需要的工务段台账资料，包括左右线曲线要素表、桥梁表、隧道表、接触网杆信息等。将LAS格式的轨道点云数据及轨迹线导入后处理软件中，给定起始里程处的左右轨面初值和接触网初值，可自动提取出轨道和接触网模型。将接触网杆信息及轨迹线导入软件中，利用软件的接触网杆模型重建功能，手动提取各个接触网杆的点云，如图3所示。

2.4 限界分析

将LAS格式点云、接触网线、接触网杆导入后处理软件中，进行路基、桥梁段，以及隧道内接触网线、接触网杆的限界测量，如图4、图5所示。图中顶部限界点至铁路中线的垂直距离为接触网线的限界，即导高限界，左侧限界点至铁路中线的水平距离为接触网杆的限界，即水平限界。

桥梁偏心测量需将LAS格式点云、提取的轨道、接触网线导入后处理软件中，进行桥梁段左右挡砟墙的限界测量，左侧限界点至铁路中线的水平距离规定为C值，右侧限界点至铁路中线的水平距离为L值，则实测偏距按下式计算

(1)

2.5 测量结果检核

为了分析车载三维激光扫描仪限界测量成果的精度，将本次接触网线和接触网杆限界测量结果与全站仪实测结果进行对比，对比情况见表1。从表1中对比情况可以看出，车载三维激光扫描仪限界测量结果与全站仪实测结果较差小于20 mm，说明本次限界测量结果精度能够满足铁路部门使用的要求。

表1 车载三维激光扫描仪与全站仪测量检核对比 mm

3 结 语

铁路限界测量对于保障铁路机车运输安全十分重要。本文将移动三维激光扫描系统引入铁路限界测量中，以柳南客专(K0+000～K110+000段)为例，详细说明了限界测量的操作流程，并将接触网线和接触网杆限界测量结果与全站仪实测结果进行对比，其误差范围在20 mm内，相关数据可为评估铁路安全性提供数据支持。从本文实例中可看出移动三维激光扫描系统外业测量效率高，作业强度低，且精度可靠，系统软件智能高效地进行点云数据处理，极大地提高了工作效率，可广泛应用于类似工程项目中。