车载三维激光扫描在既有铁路提速改造复测中的应用

车载三维激光扫描在既有铁路提速改造复测中的应用
何金学
(中铁第一勘察设计院集团有限公司陕西西安710043)
摘要：铁路作为国家的重要基础设施，是国家经济发展的大动脉，在促进全面建设小康社会进程中发挥了骨干主导作用，在运输行业中起到了中流砥柱的作用。

为满足既有铁路的养护维修和提速改造的需要，目前传统的线路复测技术已经远远不能满足铁路正常运营需求，本文以西北某运营铁路提速改造项目为依托，重点说明采用三维激光扫描技术进行点云的获取，内业数据解算、复测要素提取等线路复测的精度和方法。

工程实践表明车载三维激光扫描可满足既有铁路提速改造复测的精度要求，获取的信息更加全面，效率、安全性更高。

关键词：既有铁路线路复测三维激光扫描
1引言
既有线复测主要包括线路里程丈量、中线测量、线路平面测绘、高程测量、横断面测量、地形测量及站场测量等内容。

传统的既有线复测主要依靠人工上线测量，测量方法包括钢尺丈量配合全站仪的矢距法或偏角法、导线坐标测量法及现场调查等［1］。

近几年，随着铁路大幅提速后，车辆行车速度快、密度高，火车天窗时间短，传统的既有线测量方法涉及线上作业，工序多，测量效率低，且存在较大的安全隐患［2］。

基于移动平台的车载三维激光扫描测量集成了GNSS、惯导系统、激光扫描仪、全景相机等传感器的综合测量系统安置在火车或巡道车上［3,4］,实时进行激光扫描，获取轨道及周边地物的高精度点云数据，基于点云数据提取轨道线形参数、进行横断面测量、里程丈量、复测要素提取、地形测量等工作。

具有快速、非接触穿透、实时动态、主动、高密度、高精度、数字化、自动化等特点［5］，为线路提速改造提供可靠的基础数据，指导施工完成既有线的提速改造任务。

2车载三维激光扫描系统构成及工作原理
车载三维激光扫描系统主要由电源管理单元、同步控制单元、数据采集单元三部分组成。

其中电源管理单元对整套系统进行供电及相应的电路保护，从而保证系统正常工作。

同步控制单元通过电路控制协调各传感器的运行、记录所有回波数据、导航数据、扫描时间的实时检测与数据记录，并将采集到的相关数据上传至存储系统中。

数据采集单元利用各种传感器，获取物体的各种相关信息，主要包括用于确定激光雷达信号发射空间位置的动态差分定位系统；用于测定扫描装置姿态参数的惯性导航系统(IMU)；用于测定激光雷达信号发射参考点到地面目标点距离的激光扫描仪以及用于测定轨道车行驶距离的里程编码器。

图1铁路移动测量系统示意图
本工程采用的三维激光扫描系统，每秒钟可获得100万个点，激光发射频率200转/秒，有效扫描距离为120m,点云横向间距可达2mm,能够清晰地获取铁路轨道及线路两侧的地物信息。

三维激光扫描系统主要原理是由激光发射器产生激光，由扫描装置控制激光束发射岀去的方向,接收器根据时间差得到被测目标到激光器的距离。

同时根据线下参考站与车载GPS
完成精密动态差分
定位，求得激光器位置，根据IMU获取的姿态向量，Z。

再通过靶标控制点纠正得到工程坐标系下的点结合激光器的高度、激光扫描角度、编码器数据等云数据。

信息准确地计算岀每一个被测目标光斑的坐标X乙
图2车载激光雷达扫描系统原理
3扫描数据的获取和处理
3.1数据获取
(1)扫描作业前应将三维激光扫描系统准确安置在移动平台上，量取相关参数，对设备进行标定、测试，确保仪器处于最佳性能。

(2)根据精度要求，按照一定的间距进行布设靶标，靶标位置尽可能开阔，确保扫描时能够扫到。

(3)GPS地面参考站间距一般不宜大于10km,扫描工作实施前应开机设置数据采样间距，并与车载POS系统内置GPS接收机参数一致，实现动态DGPS相位差分测量定位。

(4)根据激光扫描仪激光发射频率和每秒发射的点数等性能，确定行车速度。

一般火车速度应匀速行驶，进入车站时，尽可能行驶在正线上。

3.2內业数据处理
内业数据处理主要包括POS差分解算、点云融合处理、靶标控制点纠正、坐标系转换、复测要素提取等内容。

POS数据解算是将移动站GNSS数据与基站GNSS数据进行差分处理，获取基于GNSS的车载LiDAR系统轨迹，将GNSS差分结果与惯导IMU数据进行紧耦合(Tightly Coupled)计算[6],可得到最终的高精度POS轨迹线数据。

点云融合处理是将解算的POS轨迹线数据与扫
描仪获取的点云数据进行融合，转换成WGS84坐标 系下的点云数据，利用沿线布设的靶标控制点对融 合的点云数据进行纠正、坐标转换，获取工程坐标
系下的高精度点云成果。

通过后处理软件从成果点 云上提取线路轨道信息、丈量里程、提取路基断面、 采集复测要素（桥梁、涵洞里程、道岔、信号机）
等既有线复测需要测量的相关内容。

图4轨道车及三维激光扫描设备
4工程应用实例
本工程为西北某运营线提速改造测量项目，采 用车载三维激光扫描进行全线的复测。

该运营线线
路全长161km,共设10座车站，为单线铁路，全线 无隧道，桥梁全长不足2km ，其余皆为路基，沿线
植被稀少，地形平坦开阔。

扫描平台采用电动的轨 道车，将扫描仪架设在车辆尾部的高支架上，如图
4所示。

沿线布设的靶标点间距500m （如图5所示），
扫描作业时，只需少量人员在线下控制点上架设基 站。

外业数据采集时间为2018年10月07日-10月 17日，全程车速控制在20—30km/h ，相比人工上
线测量，获取的部分铁路及两侧地物的激光点云数 据要多。

基于AutoCAD 平台，利用本单位开发的车载 点云复测信息提取软件，按照10m 间隔自动提取轨 面点坐标以及生成轨道中心线，通过POS 轨迹线进 行里程贯通测量，人工从点云上提取信号机、警冲
标、岔尖、桥台、涵洞等复测要素的里程信息，利 用相关软件根据里程自动提取路基断面，并绘制二
维断面图。

利用提取的轨面坐标进行线路拟合，获 得线路曲线要素以及轨道拨距信息。

为了验证点云成果的精度，布设部分靶标点作
为验证点，经统计分析，点云的平面偏差和高程偏 差具体数据见表1。

表1点云的平面偏差和高程偏差数据表（mm ）
里程点云数据与外业差值里程点云数据与外业差值
里程
点云数据与外业差值
D X D Y D Z D X D Y D Z D X D Y D Z K0055007. 6-13. 9-2.4K016000-6.9 6. 8-6.7K032000-2.9 2. 717.1K006300 4. 0-12.1-1.7K016500-6.49.4-4.3K032500-3.7 1.917.2K006500 2.5-7.2-3.7K01700019.20.8-6.9K033500-6.8 5.316.4K007000-12.9-14.1-4.3K017500-4.1-2.7-6.6K034000-4.4 5.514.7K007500-2.90.5-8.7K018000-6.3-0.3-5.5K035000-5.0 5.510.2K008500-5.6 3.2-10.7K018500-5.4-2.6-4.6K035500-4.7 5.98.3K009000-2.1 2.2-8.2K019000-4.6-0.5-4.3K036000-6.3 5.17.3K009500-3.5 2.0-8.4K020000-5.8 1.6-2.0K036500-6.2 5.7 5.8K010500-3.8 4.8-8.6K02600013.10.6 4.6K044500 3.529.820.9K011500-4.2 4.2-10.3K026500 6.1 5.2 5.2K044600 1.015.224.0K011700-5.5 1.7-6.3K027500 4.0-5.47.3K0455009.09.822.6K012200-3.9 1.2-9.6K027500-4.0 5.09.6K0460000.514.615.3K012700-6.39.2-13.8K0277007.0 1.1 5.6K0490009.90.811.9K013000-2.9 1.2-10.4K027850-6.98.717.1K050000-9.3-0.8 6.4K013500-5.10.4-8.4K028000-4.5 5.416.4K051000 1.4-2.4 5.8K01400019.68.7-6.6K028500-5.39.018.0K052000 4.8-10.510.0K014500-5.9-2.8-5.3K028900-5.4 5.616.6K0530008.6-2.111.4K015000-6.60.9-4.4K030500-5.7 2.916.8K054000-1.0 1.814.4K015500-6.5 1.6-4.6K031000-6.7 5.317.4K0550009.712.616.8K0055007.6-13.9-2.4K016000-6.9 6.8-6.7K032000-2.9 2.717.1K006300
4. 0
-12. 1-1. 7
K016500
-6.49.4-4.3
K032500
-3.7 1. 9
17.2
图5靶标实物及点云中的靶标
按照中误差公式进行计算统计，验证点的外业 实测数据与点云数据平面坐标残差在2. 1mm 至30mm 之间，点位中误差为12.2mm ；高程残差在T3.8mm 至24mm 之间，高程中误差为11.4mm,基本满足线 路改造的复测相关技术规范要求。

5 结束语
该既有线复测成果提交施工单位进行线路改
造，满足了施工改造要求，目前本项目的提速改造
工作己完成，线路己经通车运营。

工程实际应用表明，车载LiDAR 测量技术进行
铁路的养护维修和提速改造、电气化改造等工程时, 获取数据信息全面、数据量大、成果直观；具有快
速、非接触穿透、实时动态、主动、高密度、数字 化、自动化等特点。

能够减小上线作业时间，减小 铁路运营天窗时间的影响，安全、快速、高效、高 质量地完成测量工作，为线路养护维修和提速改造 提供可靠的基础数据，指导施工完成既有线的相关
工作。

参考文献：
[1] 王晓凯.车载激光雷达在铁路复测中的应用探讨J].铁道建筑，2013(2).[2] 张江，郑晓辉.铁路既有线复测方法探讨[J].铁道勘察，2005，31(2)： 15-16.
[3] 张达，李霖，李游.基于车载激光扫描的城市道路提取方法[J].测绘通报，2016(7)： 30-34.
[4] 张卡，盛业华，叶春等.车载三维数据采集系统的绝对标定及精度分析[J].武汉大学学报(信息科学版)，2008, 33(1)：
55-59.
[5] 戴升山，李田凤.地面三维激光扫描技术的发展与应用前景[J].现代测绘，2009(4)： 11-12.
[6] 崔逍，李俊峰，徐央杰.车载三维激光扫描技术在轨道交通竣工测量中的应用[J].城市勘测，2017(6).
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