地面激光雷達用于既有鐵路危巖調查的應用實例

王 俊

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

地面激光雷達用于既有鐵路危巖調查的應用實例

王 俊

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

以我國建設難度最高的宜昌至萬州鐵路沿線高危路段的隧道出入口作為調查對象，采用無接觸測量手段，使用地面激光雷達對危巖懸崖進行觀測及數(shù)據(jù)采集，并對采集的點云數(shù)據(jù)及影像數(shù)據(jù)進行處理分析，得到調查對象的數(shù)字高程模型及三維真彩色模型。根據(jù)用戶需求，提供縱斷面、隧道地形、危巖位置等成果數(shù)據(jù)。

宜萬鐵路 無接觸測量 地面激光雷達 三維建模 斷面生成

1 項目概況

宜萬鐵路東起湖北宜昌，西至重慶萬州，全長約377 km，是我國迄今為止施工難度最大、每公里造價最高、歷時最長的山區(qū)鐵路。

鐵路沿線絕大部分區(qū)域為喀斯特山區(qū)地貌，另外還遍布各種復雜、危險、不穩(wěn)定的地質環(huán)境。

本線路的設計時速最高達160 km，在如此復雜的山區(qū)環(huán)境中屬罕見。為保障列車的安全行駛，必須對全線有危巖落石可能的區(qū)域進行測量及調查工作。由于全線橋隧比達到74%，隧道洞口均為懸崖峭壁，傳統(tǒng)測量手段無法保證安全，故采用無接觸測量的方式進行測繪工作，選用的儀器為地面三維激光掃描儀，配套軟件為專業(yè)點云數(shù)據(jù)處理軟件Riscan Pro及TerraSolid。

2 激光測距原理及儀器介紹

2.1 地面激光雷達測量原理

激光掃描技術是近年來新興的一種測量手段，采用非接觸式的測量方式，改以往的點測量為面測量，以點云的形式高精度地獲取地形、地物、復雜物體表面的三維數(shù)據(jù)模型。

根據(jù)掃描儀載體的不同分為機載、車載和地面三種，其中地面激光雷達的測量效率最低，但相對精度最高。

地面激光掃描儀主要分為脈沖式和相位式兩種，其原理分別是計算光波在空氣中運行的時間或者整數(shù)波長的個數(shù)來反算出光束在空氣中運行的距離，即可得到出發(fā)點(儀器對中點)到目的點(被測目標)的距離。相對于全站儀無棱鏡測量方式，地面激光雷達的優(yōu)勢不在于測量精度，而是超高的測量速度。

2.2 測量儀器簡介

本項目使用的是奧地利Riegl公司生產的VZ400地面激光掃描儀。

該設備主要參數(shù)如表1。

表1 VZ400主要參數(shù)

(1)實際測量中可采用高速模式或遠距模式，其中高速模式測量距離為350 m，遠距模式為600 m。

(2)水平及垂直最低角度步頻率為0.002 4°，在100 m處點間隔為4 mm。

(3)高速模式為300 kHz，遠距模式為100 kHz。

(4)單點測量精度為5 mm，重復測量精度為3 mm。

(5)垂直范圍為-40°～+60°，水平轉動無死角。

3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

3.1 隧道口測量

以榔坪二號隧道出口為例，隧道口側懸崖高150 m，由于儀器的垂直掃描角向下不大于40°，向上不大于60°，為了掃描過程中包含所有采集區(qū)域，設站點必須遠離懸崖，如圖1所示。儀器設置于靠近榔坪三號隧道入口處，最大測量距離不大于350 m，所以采集時可選取快速掃描模式，掃描時間約20 min，即可獲得整個懸崖的點云數(shù)據(jù)。懸崖上方還有約200 m長緩坡，坡度約40°，屬于落石高危區(qū)域。由于角度關系，設站點1無法獲得緩坡數(shù)據(jù)，需要將設站點移至懸崖對面的坡頂，設站點2距離緩坡頂部較遠，已超過350 m，超出高速采集模式的測距限制，需要開啟遠距模式。在該模式下，采集速度較慢，整個掃描過程持續(xù)約1 h，兩個場景的掃描數(shù)據(jù)可后期無縫拼接。

圖1 懸崖掃描示意

3.2 路塹測量

除隧道口懸崖外，本項目還采集了幾處有危巖落石可能的路塹，以沙坪隧道路塹為例：

路塹一般延伸距離較長，如果測距超過350 m將無法使用高速模式，采集時間加長；同時掃描角度過小將會造成由遮擋帶來的信息丟失。故可根據(jù)實際情況增加測站數(shù)量，如條件允許，在測站間的重疊地帶貼上激光反射靶標，以方便內業(yè)拼接(如圖2)。

圖2 路塹掃描

4 內業(yè)數(shù)據(jù)處理

4.1 坐標轉換及定向

三維激光掃描儀掃描的點云數(shù)據(jù)都在其自定義的掃描坐標系中，如果數(shù)據(jù)的后處理要求得到大地坐標系下的數(shù)據(jù)，這就需要將掃描坐標系下的數(shù)據(jù)轉換到大地坐標系下，這個過程就稱為三維激光掃描儀的定向。 在坐標轉換中，設立特制的定向識別標志，即激光反射標靶。通過計算標靶中心坐標，采用公共點坐標轉換，求得兩坐標系之間的轉換參數(shù)，將點云數(shù)據(jù)全部轉換至設計坐標系中。

4.2 場景拼接

一般情況下，一個對象的掃描都會由一個以上的掃描場景組成，每個場景獲得的點云數(shù)據(jù)都是以該設站點為中心的坐標，通過坐標轉換，將每個場景的坐標統(tǒng)一到同一個坐標系下，再通過連接點的位置坐標將數(shù)個場景的點云拼接到一起。

4.3 點云后處理

點云拼接后會形成一個龐大的數(shù)據(jù)文件，并包含大量冗余數(shù)據(jù)，需要對該文件進行處理。根據(jù)激光測距的原理可知，激光束在碰到地物時會形成反射，返回接收器后即可獲得該地物的三維坐標，如果此地物的面積小于激光束的光斑，光束還會繼續(xù)行進，直至碰到下一個可反射光線的地物，如此反復，對應于一束發(fā)射光線，接收儀將會得到多于一束的反射光線。而往往前幾次反射是照射到植被產生的，這些數(shù)值不能代表地表的坐標，必須進行剔除。通過點云處理軟件和部分人工處理，將植被引起的反射值移除，使點云數(shù)據(jù)盡量接近真實地表。處理過的點云可通過軟件(Riscan Pro，Terrasolid)生成數(shù)字高程模型(DEM)，通過DEM可根據(jù)用戶需求獲得數(shù)字地形圖，橫、縱斷面等數(shù)字產品。

4.4 紋理貼圖與地物辨識

在工程上，用戶關心的不僅僅是斷面線的形狀，同時還有斷面線所穿過地物的位置、性質、屬性。要獲得這些信息，就必須將地物的數(shù)字高程模型與高分辨率的彩色照片相疊加。本項目的掃描儀可搭載高精度、低畸變的專業(yè)單反數(shù)碼相機，通過軟件，根據(jù)數(shù)碼相機獲得的彩色照片，將點云數(shù)據(jù)中的每個點都賦予RGB三色，即可快速生成一個高分辨率的貼圖紋理模型，建立像照片一樣真實的三維模型。

通過斷面線與三維真彩色模型相結合，即可獲得斷面線經過地物的各項屬性，如圖3。

圖3 斷面成果數(shù)據(jù)

5 結束語

高速鐵路的特殊性質決定了無接觸測量才是最佳、最安全的測量方式，無論是隧道洞口的地形測量、地質災害多發(fā)地區(qū)的災情預測，還是鐵路沿線的常規(guī)運營監(jiān)測，三維激光雷達集作業(yè)安全、采集效率、測量精度于一身，在不遠的將來將會逐漸取代常規(guī)測量方法，與機載、車載激光雷達相結合，可以獲得完整的高速鐵路勘測設計、運營維護的解決方案。

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TheSurveyofUnstableRockITIaSSforExistingRailwaywith3DLaser-Scanner

WANG Jun

2014-10-14

王 俊(1978—)，男，2008年畢業(yè)于德國斯圖加特技術應用大學測繪工程專業(yè)，碩士，工程師。

1672-7479(2014)06-0015-02

P258

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