三维激光扫描移动测量在铁路运营中的应用

李子雍

摘要：铁路运输是我国目前客运、货运主要的运输方式。截至2017年底，我国铁路营业里程已达12.7×104km，其中高速铁路2.5×104km。根据2016年修编的《中长期铁路网规划》，到2025年，我国高速铁路通车里程将达到3.8×104km，并形成“八纵八横”的高速铁路网。随着大量新建高速铁路的施工及投入运营一些线路病害逐渐显现出来，如隧道底板隆起、隧道变形、路基沉降、桥梁位移等。因此，在一定周期内需对高速铁路施工现场或运营线路进行快速、长期的监测，如何在有限的人力、物力资源条件下提高测量技术水平，提高工作效率、确保工程质量就显得十分必要。

关键词：三维激光扫描;移动测量;铁路运营;应用

1三维激光扫描移动测量系统

1.1三维激光扫描移动测量系统组成

（1）电源管理单元：对整套系统进行供电及相应的电路保护，从而保证系统的正常工作。（2）同步控制单元：通过电路控制将所有传感器进行同步数据采集，并将采集到的相关数据上传至存储系统中。（3）数据采集单元：利用三维激光扫描、GPS/IMU组合导航（POS）定位定姿等技术获取铁路工程各种构筑物的各种相关信息，主要包括点云数据、全景影像、空间位置和姿态信息等。（4）软件处理单元：针对采集回来的数据进行分析，包括平面坐标以及高程系统的处理分析。对于平面坐标，采用常规高程面模型投影解算出的点云必须经过适当的平移，才能转换到轨道高程投影模型下，进而最大限度控制投影带来的长度变形;高程系统基于的则是水准高系统，通过一定的算法将实测的大地高转换成水准高，得到高精度的点云成果数据并可快速浏览。

1.2三维激光扫描移动测量的技术优势

（1）三维激光扫描移动测量是基于三维激光扫描、惯性测量与GNSS定位技术的轨道高精度三维激光点云和高分辨率全景影响数据采集设备。（2）系统将控制网坐标动态传递到POS测量系统，采用联合解算方法，满足弱GPS信号甚至无GPS情况下绝对测量精度的提高，实现高速铁路轨道快速、自动、连续、无缝、高精度定位定姿测量。（3）通过点云数据可以提取既有线中线里程、中线坐标、轨面高程、路基断面、地形地物点资料。（4）利用360°全景影像及点云效果图的真实、可视化优势，进行既有线路的路基病害、线路设施、跨线净空资料调查，提高既有线勘测与调绘的准确性、完整性。（5）采用三维激光扫描移动测量技术改进了铁路既有线现状测量方法;减少作业流程及时间，提高了作业效率;减少与运营列车的相互干扰，确保测量人员、设备及运营的安全。

2高速铁路轨道数据测量

2.1测试过程

2.1.1约束点的布置

（1）利用施工加密CPⅡ点作为基站约束控制点。（2）充分利用沿线已有CPⅡ及CPⅢ控制网进行靶标布设，CPⅡ控制点作为基站，CPⅢ控制网按照60m左右间隔在铁路两侧布设成对靶标，相邻两个靶标布设在铁路的不同侧。靶标可以沿CPⅢ控制网依次不间断进行布设，后续为测试不同靶标密度（间距）对精度的影响再选取不同密度的靶标进行融合解算。

2.1.2现场数据采集

本次测试同步进行标靶布设和现场数据采集，标靶布设需要配备4人（分2组进行靶标安装和拆卸传递），移动测量系统仪器操作员1人。

2.2扫描数据处理

2.2.1航迹解算

扫描完成后，利用车载激光扫描仪上的GPS数据与同步的地面基站数据进行差分，联合高精度激光惯导及里程编码器数据融合解算出高精度的航迹文件。

2.2.2设备自检校

自检校过程主要包括设备系统标定，内部设备精度检校。

2.3基于控制点约束校正的精度改善试验与分析

2.3.1平面高程约束点精度统计

（1）间距为800m的CPⅢ点作为约束点，其他CPⅢ点作为验证点的精度统计。当采用间距为800m的CPⅡ作为约束点时，其大部分测试点的精度均<1cm，个别单点平面高程精度<2cm;，但其平面及高程标准差均<1cm，满足既有普速铁路快速高精度检测与测量的精度要求。（2）将测段内所有CPⅢ点作为约束点。在测段范围内，将所有CPⅢ点作为约束点时，其单点平面精度<1cm;其高程精度<1cm，满足高速铁路工程测量规范的精度要求。

2.3.2轨面高程提取精度统计

在测段范围内，采用电子水准仪对轨面高程进行水准测量，与采用不同CPⅢ间距约束点计算提取的轨面高程进行对比。约束点的精度越高，点云数据精度越高，在一般既有线上测量时，若没有CPⅢ点，可以用既有线外移桩点作为约束点进行融合约束计算，其成果资料满足铁路既有线测量“既有钢轨面高程检测限差不应大于20mm”的要求。

3铁路大修轨道数据测量

3.1项目简介

（1）项目概况：该项目是成都铁路局成都工务段年度大修任务，由中鐵二院测绘院、工务段联合作业，采用移动式三维激光测量系统进行既有线现状测量工作，取得了良好的效果。（2）项目地点：成都市青白江区、广汉市、彭州市。（3）项目范围：由青白江区至彭县段约32km的既有线三维扫描生产。

3.2约束点布置

（1）全段主控点4个，所有约束点平面采用四等GPS静态测量，高程采用四等水准测量，并尽量与成九线的平面高程控制点联测。（2）在K0+000～K32+000段，沿线路两侧分别布置平面高程约束点;点间距离500m左右，一侧编号为GP-*作为靶标约束点，另外一侧编号为TP-*作为桩面约束点（不架设标靶）。（3）约束点尽量在桥涵帽石上标注（并刻+丝），也可采用木质方桩（中心钉钢钉，方桩宜高出地面5cm，便于扫描）。（4）在布置约束点时确保扫描仪能够清晰扫描到约束点，约束点周围应用红白油漆相间涂抹。

3.3数据采集

（1）K0+000～K32+000段，由测量人员进行中线里程测量（在钢轨上标注）及轨面高程测量（左右轨分别测量），测量数据作为对比数据使用。

（2）从青白江车站，以列车为载体，将移动扫描设备固定在列车头部，以30km/h的速度进行数据移动扫描采集。

3.4数据处理

3.4.1点云数据处理

1）航迹解算。扫描完成后，利用车载激光扫描仪上的GPS数据与同步的地面基站数据进行差分，解算出高精度的航迹文件。（2）设备自检校。自检校过程主要包括设备系统标定，内部设备精度检校。3）激光雷达数据融合纠偏解算。完成以上工作后，即可进行数据解算，融合得到初步激光雷达数据。之后利用现场采集到的控制点进行点云高程改正，得到最终点云数据。

3.4.2约束点平面高程精度

采用约束点约束融合计算后，再次提取各个约束点的平面坐标及高程精度验证报告。

3.4.3里程中心线的准确提取

确定起点里程K0+000的平面坐标，计算起点里程对于铁路来说是最为重要的一个参数指标，后续所有的输出成果均是基于此里程。需要通过软件将车行轨迹准确快速的提取出来，并进行编辑和修正。

结论

在高速铁路勘测设计施工中，采用基于轨道车平台的三维激光扫描移动测量技术装备和软件处理系统，利用CPⅢ平面高程控制点作为约束点进行计算得出其平面绝对精度<1cm，其高程绝对精度<1cm，满足高速铁路规范要求。该技术是一种全新的测量技术和方法，在高速铁路工程上应用将显著提升我国高速铁路建设及运营测量技术水平。

参考文献：

[1] 林玉兵.三维激光雷达图像在铁路异物侵限检测中的应用研究[D].北方工业大学，2018.

[2] 朱郭勤.三维激光扫描技术在铁路运营维护及形变监测中的研究[J].工程建设与设计，2017（10）：216-217.

（作者单位：中铁十九局集团第一工程有限公司）