曹成度 曹思語

(1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430063；2.武漢市第十四中學(xué)，湖北武漢 430060)

1 概述

為了滿足既有鐵路線路和站場的改建、擴建、技術(shù)改造及日常保養(yǎng)維護(hù)等工作對測量的需求，需要對既有線路和站場的地形、建筑物、構(gòu)筑物、設(shè)備、股道、道岔、信號系統(tǒng)等進(jìn)行詳細(xì)測繪[1]。當(dāng)前，既有線測量主要依靠人工在“天窗”時間上道測量，其效率較低，安全性較差，亟需研發(fā)高效、安全的既有線測量方法[2，3]。

三維激光掃描技術(shù)又稱“實景復(fù)制技術(shù)”，它通過激光掃描測量方法快速獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)及其他關(guān)鍵信息。根據(jù)載體的不同，可分為星載、機載、車載和地面激光雷達(dá)。三維激光掃描技術(shù)突破了常規(guī)測量單點采集的模式，具有非接觸、效率高等優(yōu)勢，為既有線復(fù)測提供了一種新的思路和技術(shù)手段。

近年來，國內(nèi)外許多研究機構(gòu)對車載激光雷達(dá)技術(shù)在傳統(tǒng)測繪領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[4-6]。研究結(jié)果表明：受制于GPS和慣導(dǎo)的動態(tài)定位精度，車載激光雷達(dá)直接數(shù)據(jù)精度最高只能達(dá)到5 cm。在既有鐵路上進(jìn)行掃描時， GPS信號受到鐵路上方高壓電線的干擾，獲取的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)精度更低，無法滿足既有線測量的精度要求[2，7]。

針對上述技術(shù)問題，研究提高鐵路車載激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)精度的方法，從而打破車載激光雷達(dá)系統(tǒng)在鐵路既有線測量中的應(yīng)用瓶頸。

2 總體思路

車載激光雷達(dá)系統(tǒng)的測量誤差來源主要包括以下兩個方面。

①量測誤差：主要有GPS定位誤差、慣導(dǎo)定位定姿誤差、激光測距誤差等。

②系統(tǒng)集成誤差：主要為車載激光雷達(dá)系統(tǒng)多個模塊之間存在的集成、同步誤差。

受制于技術(shù)和國外廠商保密等原因，很難從源頭上對誤差進(jìn)行分析和消除[8-10]。

分析車載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，可將多方面的誤差分為偶然誤差和系統(tǒng)誤差兩類。偶然誤差難以消除，但針對系統(tǒng)誤差，可以與已知數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，找到系統(tǒng)誤差的規(guī)律并予以消除。采用這一思路，在鐵路兩側(cè)按一定密度布設(shè)并測量控制點，基于控制點對激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)誤差分析，從而精化車載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。通過對比分析不同密度控制點的精化效果，找到控制點密度與激光雷達(dá)數(shù)據(jù)精度間的關(guān)系，從而確定滿足既有線測量的控制點密度，提高車載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)精度。

3 作業(yè)流程

提高鐵路車載激光雷達(dá)測量精度方法的主要流程包括：控制標(biāo)志布設(shè)與測量、車載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)精化等步驟。

3.1 控制標(biāo)志布設(shè)與測量

在進(jìn)行車載激光雷達(dá)掃描前，在待測鐵路沿線每隔一定距離布設(shè)一個控制標(biāo)志?？刂茦?biāo)志為40 cm×40 cm“田”字圖案，利用“十”字將控制標(biāo)志等分成4個相同的邊長為20 cm的小正方形，4個小正方形左下、右上部分為黑色，左上、右下部分為白色?？刂茦?biāo)志可采用塑料等輕型材料制作，標(biāo)志表面可覆膜，以保證標(biāo)志具有高反射性。

控制標(biāo)志可采用高強度免釘膠粘貼在鐵路兩側(cè)(可貼在鐵路兩側(cè)的接觸網(wǎng)桿上或無遮擋的平整水泥地面上)。

控制標(biāo)志中心坐標(biāo)測量采用免棱鏡全站儀自由設(shè)站法，基于CPⅡ或CPⅢ進(jìn)行定向(如圖1)。

圖1 布設(shè)標(biāo)志示例

3.2 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集

沿待測鐵路走向布設(shè)多個GPS基站，GPS基站可布設(shè)在CPI上。掃描時車載激光雷達(dá)系統(tǒng)與GPS基站進(jìn)行同步GPS觀測，通過動態(tài)GPS差分實現(xiàn)激光掃描系統(tǒng)的高精度動態(tài)定位，相鄰兩個GPS基站間基線長度范圍為4～8 km。

在軌檢車上搭載移動激光掃描系統(tǒng)沿鐵路進(jìn)行掃描作業(yè)，獲取鐵路車載激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)。為了滿足既有線測量要求，需將點云間距控制在2 cm以內(nèi)，根據(jù)公式(1)可計算出行車速度。

(1)

其中：D為點云間距；

V為行車速度；

S為掃描頻率；

n為激光掃描系統(tǒng)激光頭的個數(shù)。

3.3 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)精化

數(shù)據(jù)采集完成后，首先利用車載激光雷達(dá)系統(tǒng)自帶的軟件對激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢校、解算，得到初始激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。

車載激光雷達(dá)系統(tǒng)有多個激光頭時，應(yīng)對每個激光頭采集的點云數(shù)據(jù)單獨進(jìn)行精化。精化步驟如下。

(1)讀取鐵路車載激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)，識別出每個控制標(biāo)志中心的三維點云坐標(biāo)。

(2)采集的點云數(shù)據(jù)不僅包括坐標(biāo)信息，還帶有該點的采集時刻，按照采集時刻對所有點云進(jìn)行劃分，如圖2所示，以控制標(biāo)志中心點A，B，C…點相應(yīng)的采集時刻Ta、Tb、Tc…為分界時間點，將整段點云數(shù)據(jù)分割成n段(如圖2)。

圖2 激光雷達(dá)精化示意

(3)激光點云數(shù)據(jù)三維坐標(biāo)修正：對鐵路車載激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)中的任一點X(x,y,z)，均可找到其最近的前后兩個控制點及相應(yīng)的點云坐標(biāo)B(xB,yB,zB)和C(xC,yC,zC)，通過計算X與B、C間的歐氏距離l1和l2，B、C兩點其實測坐標(biāo)為，(XB0,YB0，ZB0)和(XC0,YC0，ZC0)，通過公式(2)，即可計算出X點精化后的坐標(biāo)。

(2)

4 試驗設(shè)計

選取漢丹鐵路作為試驗區(qū)。漢丹鐵路是武漢至丹江口的客貨共線鐵路，其中漢襄段作為武漢至成都、重慶鐵路通道的重要組成部分，列車運行時速由120 km提升到160 km，最高時速可達(dá)200 km，可開行動車組。本試驗選擇在漢襄段的云夢至下辛店工區(qū)，試驗線長度為23 km。

試驗時，選擇世界上領(lǐng)先的Optech Lynx SG1車載激光雷達(dá)系統(tǒng)，Lynx SG1配備了最高脈沖發(fā)射頻率達(dá)600 kHz的傳感器探頭，整套系統(tǒng)的最高數(shù)據(jù)采集頻率可達(dá)120萬測點/s，其360°全向掃描所形成的均勻分布數(shù)據(jù)，可滿足大比例制圖與工程勘測的精度需求。在原有的多臺工業(yè)量測相機基礎(chǔ)上，新提供了對Point Grey Ladybug相機系統(tǒng)的集成方案。

本試驗移動平臺為鐵路檢修平板車，該車具有雙車頭，最高時速可達(dá)80 km。試驗時，將Lynx SG1安裝在鐵路檢修平板車尾部，通過平板火車運動，對鐵路進(jìn)行連續(xù)掃描(如圖3)。

圖3 現(xiàn)場工作

4.1 技術(shù)參數(shù)

Lynx SG1采集的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 技術(shù)參數(shù)

4.2 控制點布設(shè)

控制點布設(shè)分兩段，第一段長3 km，按照50 m間隔在鐵路兩側(cè)布設(shè)一對靶標(biāo)；第二段長20 km，按照200 m間隔布設(shè)一對靶標(biāo)，相鄰兩個靶標(biāo)布設(shè)在鐵路的不同側(cè)?；诿饫忡R全站儀，先采用CPⅢ后方交會定向，然后測量控制標(biāo)志坐標(biāo)。

4.3 無控制激光雷達(dá)數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計

數(shù)據(jù)采集完成后，利用控制標(biāo)志對激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢核，精度統(tǒng)計如表2。

表2 無控制激光雷達(dá)數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計

由表2可知，原始激光雷達(dá)數(shù)據(jù)精度約為10 cm，難以滿足鐵路既有線測量的相關(guān)要求。

4.4 精化試驗

為了探索控制點間距與激光雷達(dá)精度的關(guān)系，分別對4.2中的第一段和第二段數(shù)據(jù)進(jìn)行以下兩組試驗。

(1)分別按照每50 m、100 m、200 m、300 m、400 m和500 m選取一個控制點對激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行精化，并將剩余的控制標(biāo)志作為檢查點，激光雷達(dá)精度統(tǒng)計如表3所示。

表3 第一試驗段激光數(shù)據(jù)精度與控制點間距關(guān)系 m

分析表3，可以得出以下結(jié)論。

①控制點的密度越大，數(shù)據(jù)的精度越高。

②每400 m布設(shè)一個控制點，其平面和高程中誤差分別為0.015 m和0.015 m，即使控制點密度提高一倍，對精度提高的效果已不明顯。

(2)根據(jù)第一段的試驗結(jié)果，在第二段按照每隔400 m選取一個控制點對激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行精化，將剩余的控制標(biāo)志作為檢查點，激光雷達(dá)精度統(tǒng)計如表4所示。

從表4中可以看出，按400 m間距布設(shè)一個控制點，其高程和平面精度與第一組試驗結(jié)果相當(dāng)。

表4 第二試驗段激光數(shù)據(jù)精度與控制點間距關(guān)系 m

4.5 精度驗證

為了對激光雷達(dá)數(shù)據(jù)精度進(jìn)行驗證，采用測量機器人，在漢丹線(云夢至下辛店段)共測量了272個有效軌頂中心點，并與車載激光雷達(dá)掃描的軌頂數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以評價車載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的精度。

結(jié)果顯示，94.9%的點平面誤差絕對值在0.030 m以內(nèi)，65.1%的點高程絕對誤差在0.020 m以內(nèi)。水平誤差絕對值最大為0.054 m，平均值為0.011 m，中誤差為0.014 m；高程誤差絕對值最大為0.050 m，平均值為0.017 m，中誤差為0.015 m；空間絕對點位誤差最大值為0.057 m，平均值為0.022 m，中誤差為0.021 m。

從該精度統(tǒng)計結(jié)果可以看出，精化后的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，可滿足除高速鐵路中線和高程測量外的所有既有線測量工作的精度要求[11-12]。

[1] 王曉凱.車載激光雷達(dá)在鐵路復(fù)測中的應(yīng)用探討[J].鐵道建筑，2013 (2):81-83

[2] 湯建鳳.基于車載激光雷達(dá)的鐵路既有線復(fù)測技術(shù)研究[J].鐵道工程學(xué)報，2016，33(12):43-47

[3] 張江，鄭曉輝.鐵路既有線復(fù)測方法探討[J].鐵道勘察，2005(2):15-16

[4] 張攀科，裴亮，王留召，等.車載激光掃描系統(tǒng)在地籍測量中的應(yīng)用[J].測繪科學(xué)，2015，40(9):163-166

[5] 王曉凱.鐵路勘察機載激光雷達(dá)的應(yīng)用及關(guān)鍵問題研究[J].鐵道工程學(xué)報，2010(10):11-14

[6] 劉丹.三維激光掃描技術(shù)在西客站既有結(jié)構(gòu)斷面測量中的應(yīng)用[J].鐵道建筑技術(shù)，2011(S2)：244-245

[7] 中華人民共和國鐵道部.TBJ 105—1988 既有鐵路測量技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，1989

[8] 韓友美，楊伯鋼.車載LiDAR技術(shù)市政道路測量高程精度控制[J].測繪通報，2013(8):18-21

[9] 魯勇，王留召，郭姣，等.車載激光移動建模測量系統(tǒng)點云精度檢核與誤差來源分析[J].中州煤炭，2012(6):53-55

[10] 梅文勝，周燕芳，周俊.基于地面三維激光掃描的精細(xì)地形測繪[J].測繪通報，2010(1):53-56

[11] 韓三琪.三維激光掃描儀單點精度的檢驗與分析[J].鐵道勘察，2013(6)：9-11

[12] 王俊.地面激光雷達(dá)用于既有鐵路危巖調(diào)查的應(yīng)用實例[J].鐵道勘察，2014(6):15-17