车载激光雷达测量技术在铁路既有线复测中的应用

刘长瑞

（甘肃铁道综合工程勘察院有限公司，兰州730000）

1 引言

传统的既有线测量方法主要依靠人工上道测量方法，人工上道复测存在较大的安全隐患，且工序多、测量效率低。在这种情况下，进行技术性变革已势在必行。基于列车平台的车载激光扫描系统进行外业测量数据获取，可以快速获取铁路周围地形的空间几何信息，并很好地补充航空摄影测量经常遇到的复杂地形内的遮挡与盲区问题，为既有铁路测量提供高质量的地理空间数据[1]。

2 车载移动激光雷达测量系介绍

车载移动激光雷达测量系统集成GNSS、IMU惯性导航单元、三维激光扫描、影像处理、摄影测量及集成控制等高新技术，通过三维激光扫描采集空间信息，全景照相获取影像，由卫星及惯性定位确定影像的位置姿态等测量参数，在点云上实现测量，完成测绘任务[2]。本文以Leica Pegasus:Two移动激光扫描系统在酒额铁路既有线改造工程中的应用为例进行介绍。

3 前期准备工作

3.1 基站准备

在地面布设GPS基站，并与机载POS系统内置GPS接收机同步进行GPS观测，以实现动态DGPS相位差分测量定位。铁路沿线每20km架设一个GNSS静态基站或CORS参考站。

3.2 控制点、检查点、标靶布设

控制点：在开放天空环境下，Leica Pegasus:Two的绝对精度达到平面2cm，高程2cm，无须控制点纠正即可满足铁路测量的要求。在天空遮挡严重的情况下（两侧树木很高、山体遮挡等），可布置少量控制点，每隔0.5km布设一个控制点。

检查点：通过RTK+水准仪的方式每隔一定距离测一个点（平面+高程），用于精度检查。检查点需做标记，以便在移动激光扫描系统快速驶过的同时，能够扫描、识别检查点中心。

检查点或控制点标靶：检查点或控制点的标记可做白色十字对角喷漆，每个白色正方形喷漆边长为30cm×30cm，这样能够保证速度在40～60km/h的情况下，仍能通过软件拟合标靶中心。标志测量方式采用GPS快速静态测量方法施测[3]。

3.3 设备安装准备

Leica Pegasus:Two移动激光扫描系统安装简单方便，可安装到带有平台的任何列车上，将设备抬至车顶，并上紧8个螺栓，设备就稳固在车辆上，10min内即可完成安装。

4 外业采集阶段

外业采集步骤包括：（1）初始化自检校：在开放天空环境，GNSS静态观测15min，IMU动态初始化3～5min（左转、右转、加速、减速）；（2）开始扫描：操作采集软件，开始测量；测量时，保持匀速，遇到桥下、隧道时，快速通过，通过后找到开放天空环境，静止约10s，使GNSS重新锁定。测量过程可随时停车，但不可倒行；（3）结束自检校：行驶至开放天空环境，GNSS静态观测5min，无须再做动态初始化；（4）数据下载：在现场或将设备运回驻地，用移动设备拷贝数据即可。

5 内业处理流程

外业数据采集完成后，使用配套后处理软件即可完成数据的处理，数据处理人工干预少，自动化程度高，主要步骤如下：（1）首先用Inertial Explorer软件后差分方式解算轨迹；（2）用徕卡Infinity软件设置好本地坐标，通过参数设定或控制点对计算的方式；（3）用徕卡Pegasus Manager软件进行自动挂机处理数据，自动生成彩色三维LAS点云+全景照片+内外方位元素（见图1）；（4）在ArcGIS里，用Map Factory进行控制点平差（如果需要）；（5）在ArcGIS里，用Map Factory提取地物特征，生成平面图、断面等；（6）或在其他客户已有的徕卡或第三方软件中制作专业成果，如里程丈量、曲线要素查定、坡度计算、轨道平顺性检测、铁路数据库管理几方面。

图1 RGB点云成果

6 数据质量分析

点云数据可通过检查点或已有地形图的方式来验证点位精度，在徕卡Map Factory for ArcGIS或Terrasolid软件中可实现。

将检查点或地形图以txt或dwg格式导入ArcGIS软件中，在Map Factory工具下，选取点云中的检查点，逐点对比X、Y、Z坐标，在属性表中可查看坐标误差，并导出Excel格式。

7 车载激光雷达技术获取铁路既有线信息

7.1 提取线路里程

传统测量方法中，里程丈量采用拉百尺标的方式进行，是其他测量工作的先导。基于车载激光雷达测量技术的既有线测量可无须进行里程丈量，因为通过激光扫描可直接获取全线轨道信息，在提取出轨道中心线并确定里程起点后，可直接推算里程（见图2）。

7.2 线路及平面高程测量

通过车载激光雷达点云数据提取出的轨道中心线完全可替代传统基于全站仪和水准仪方法测量的轨道平面和高程数据。基于车载激光雷达轨道中心线进行线形拟合后，可高精度、高密度地恢复轨道线形，为后续分析、计算及填写复测等奠定基础（见图3）。

图2跟踪轨面线形成粗略轨面线

图3精确轨面线提取

7.3 构筑物测量

线路上的桥梁、涵洞等构筑物均应在复测中进行测量，基于车载激光雷达数据，可直观地分辩桥梁等构筑物，从激光雷达数据中提取相关要素。对于涵洞、站房等构筑物，个别激光雷达扫不到的地方，采用背包测量方法进行补充。

7.4 既有铁路横断面测绘

传统的既有铁路横断面主要依靠人工方式进行测量，这种测量方法对既有线干扰大，作业危险系数高。采用车载激光雷达技术获取到既有线数据后，即可利用点云数据生产横断面。

8 精度质量检核分析

车载雷达外业测量和数据处理过程中，需要从多方面控制数据质量，主要包括：在GPS动态差分解算中，应严格解算质量检查，通过双传感器激光点云的匹配分析惯性导航系统（POS）轨迹线的定位、定姿误差，进行数据精度的评价分析；为保证既有线复测成果正确，满足设计要求及相关规范要求。本次全线复测采用车载移动测量系统进行复测，对上元站、航天城站选取10km段落，进行人工复测、车载移动测量系统、天宝手推式Trimble GEDO IMS+SCAN方法，3种方法进行比对，为了验证车载激光雷达数据生产断面的精度，在现场先取部分段落人工实测横断面，将实测断面与激光雷达生产断面进行对比分析，有效检核既有线复测成果是否满足规范及各专业设计要求，对比成果，人工复测的数据与扫描的数据较差平面X最大0.031m，Y最大为-0.029m，高程最大为-0.018m，基于车载激光雷达数据快速生成满足铁路设计各专业的高精度既有线资料，整体精度平面精度达到0.05m，高程精度达到0.03m，满足铁路设计要求。

9 车载激光雷达技术的优势

9.1 绝对精度高，需要控制点数量少，节省人工布点工作量和时间成本

在开放天空环境下，徕卡Pegasus:Two的绝对精度达到平面2cm，高程2cm，无须控制点纠正即可满足既有线铁路复测要求。即使在天空遮挡严重情况下（两侧树木很高、山体遮挡等），可布置少量控制点，比如，每隔0.5km布设1个控制点，仅需要少量控制点就能达到铁路测量要求，能够减少外业布点的工作量和时间，减少需要的工作量和时间成本，提高效率。

9.2 可拟合标靶中心，无须扫描到中心点，提高采集车辆行驶速度

徕卡在AutoCAD和ArcGIS平台的插件Map Factory可以实现拟合十字标靶中心的功能。通过分别选取横、竖2条直线，软件可自动拟合十字中心。这样不仅比人工选点更准确，而且能够避免因必须扫描到中心而刻意降低行驶速度的做法，能够大大提高外业采集效率，采集速度可达60～80km/h，满足铁路最低限速的同时，还能缩短作业时间，提高安全性。

9.3 RGB彩色点云质量高，准确还原现场，提高绘图效率

徕卡Pegasus:Two具有2个360°扫描仪，每个扫描仪能够获取1.0×106点/s，扫描频率达到200Hz，总共能获取2.0×106点/s的高点密度三维点云。获取的三维点云可自动根据照片着色，生成RGB真彩色点云，凭借超高点密度和扫描频率，使得点云栩栩如生，准确还原现场环境（见图4），无须频繁在点云和照片之切换，提高绘图效率。

图4 RGB彩色点云准确还原现场环境

9.4 数据全自动挂机处理，无须人工干预，节省内业处理工作量

徕卡Pegasus Manager能够实现将原始点云、影像，通过全自动挂机处理，生成具有本地坐标的、彩色三维LAS点云以及全景照片。采集与处理时间比约为1∶3，可大大缩短处理时间。

只需要提前定义好设置参数，整个挂机过程无须人工干预，计算机自动完成，这样不仅能够节省内业处理的人工量，还能提高晚上休息时间的利用率，节省时间。

9.5 技术效益较高

车载激光雷达系统是将三维激光扫描系统（包括激光扫描仪、数码影像传感器以及GPS_IMU系统）整体加装在交通运输平台上进行激光雷达扫描作业的主动式动态测量系统，其目的就是为了能在更长，更远的范围内获取测区点云，建立测区DSM以及DTM模型。从作业方式上看，车载激光雷达系统可以安装于铁路通勤车或轨检车（时速较慢）的车厢尾端进行扫描作业，其成果可以应用于铁路复测，而且具有以下几个方面的优势：

1）作业员不上道作业，安全系数高。设备安装完成后，作业员只需在列车上对系统控制终端进行操作，区间内作业员只需完成基站的架设以及布标的作业，无须上道作业，比之传统作业方法安全性大大提高，这样的优势随着列车时速的不断提速显得更加重要。

2）作业时间段不受“天窗时间”限制。传统的作业方法作业员因安全需要，只能在夜间的“天窗时间”内作业，而车载的方法在作业时间段的选择上显然不受此局限。

3）外业工作量大大减少，整体作业效率高。车载激光雷达系统的作业只需在测区内完成基础控制测量，数码影像成果可真实反映现场情况，激光点云可实测轨道三维位置，这将使复测的外业工作量大大减少，整体作业效率大大提高。

4）工务设备调查可靠度高，有可查依据。数码影像成果真实记录现场铁路状况以及公务设备情况，使得复测诸表以及车站诸表的制定“有据可查”。调查成果更加可靠。