基于三維激光掃描技術(shù)的既有鐵路道岔岔心自動(dòng)提取方法

張?jiān)迄i

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300308)

道岔測(cè)量是鐵路既有站場(chǎng)測(cè)量中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。 在站場(chǎng)平面圖上,道岔的位置是由道岔中心的位置表示的。 道岔中心又稱岔心,是指主線和側(cè)線中心線的交點(diǎn)。 目前,鐵路道岔岔心測(cè)量主要采用人工測(cè)量的方式,先通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)丈量標(biāo)定出岔心位置,然后使用全站儀或者GPS-RTK 測(cè)出其坐標(biāo)。 普通的單開(kāi)道岔結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 確定岔心時(shí),應(yīng)先確定道岔型號(hào),進(jìn)而確定該型號(hào)的前端長(zhǎng)a,由兩軌縫連線的中心,沿線路中線量取a 值,即可定出道岔中心的位置。

圖1 道岔結(jié)構(gòu)

從上述測(cè)量過(guò)程中可以看出,現(xiàn)有岔心測(cè)量方法存在以下不足:①岔心位置需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)丈量確定,測(cè)量結(jié)果易受人為誤差影響,測(cè)量精度難以保障;②需要測(cè)量人員在既有線路上作業(yè),安全隱患較大。

三維激光掃描技術(shù)可以通過(guò)非接觸的測(cè)量方式快速獲取被測(cè)物體表面高精度、高密度的三維點(diǎn)云信息[1],克服了傳統(tǒng)測(cè)量方法數(shù)據(jù)獲取效率低、容易受環(huán)境條件限制及難以準(zhǔn)確表達(dá)復(fù)雜目標(biāo)真實(shí)情況的缺點(diǎn),目前已廣泛應(yīng)用于礦區(qū)、滑坡及建(構(gòu))筑物等的變形監(jiān)測(cè)當(dāng)中。 如王黎明等分析了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于巷道變形監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)[2];戴華陽(yáng)等基于三維激光掃描技術(shù),提出應(yīng)用房屋特征點(diǎn)提取采動(dòng)區(qū)房屋移動(dòng)變形的方法[3];徐進(jìn)軍等采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行高危邊坡監(jiān)測(cè),完成了目標(biāo)區(qū)域三維模型構(gòu)建、大比例地形圖及橫縱斷面圖繪制、DEM 模型建立等測(cè)繪工作[46]。

在國(guó)內(nèi)鐵路既有線測(cè)繪領(lǐng)域,三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用尚處于起步階段。 將三維激光掃描技術(shù)引入既有鐵路道岔測(cè)量中,不僅可以快速獲取高精度的測(cè)量數(shù)據(jù),還能有效規(guī)避測(cè)量人員既有線作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。 以下根據(jù)鐵路道岔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)基于三維激光掃描技術(shù)的岔心測(cè)量方法進(jìn)行研究。

1 數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

1.1 數(shù)據(jù)采集

三維激光掃描系統(tǒng)主要由掃描頭、控制器和計(jì)算機(jī)三部分組成。 其中,掃描頭包括激光發(fā)射器、接收器、水平反射鏡和垂直反射鏡;控制器包括距離測(cè)量模塊、掃描控制模塊以及計(jì)算機(jī)總線;計(jì)算機(jī)主要包括微處理器和存儲(chǔ)器。

三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理如下:激光發(fā)射器對(duì)掃描目標(biāo)發(fā)射激光束,系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算激光往返的時(shí)間差或相位差得到測(cè)量距離S,掃描控制模塊記錄激光束在垂直方向的旋轉(zhuǎn)角度θ 和水平方向的旋轉(zhuǎn)角度α,并據(jù)此計(jì)算出被測(cè)物體上點(diǎn)云的三維坐標(biāo)(X,Y,Z)。

三維激光掃描儀一站的掃描范圍有限,無(wú)法一次性將整個(gè)站場(chǎng)區(qū)域囊括進(jìn)來(lái),需要對(duì)站場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行分站掃描,因此,掃描后,需要對(duì)各站的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。 本次實(shí)驗(yàn)所使用的掃描儀采用類似全站儀的設(shè)站方式,即將儀器架設(shè)在已知點(diǎn)上,掃描得到的各測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)一,不需要進(jìn)行點(diǎn)云拼接,免除了拼接過(guò)程中的誤差。

采集站場(chǎng)原始數(shù)據(jù)前,應(yīng)首先選擇掃描儀設(shè)站位置,并測(cè)出各站點(diǎn)的坐標(biāo),然后將三維激光掃描儀架設(shè)在已知站點(diǎn)上,在儀器中輸入測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)及儀器高,并設(shè)置好后視方向及各項(xiàng)掃描參數(shù)。 在掃描過(guò)程中,應(yīng)及時(shí)查看已獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)有漏掉的區(qū)域應(yīng)及時(shí)補(bǔ)測(cè)。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理包括粗差剔除、數(shù)據(jù)裁剪、數(shù)據(jù)重采樣3 個(gè)過(guò)程。

(1)粗差剔除

在野外數(shù)據(jù)采集時(shí),不可避免地會(huì)存在一些明顯的無(wú)效點(diǎn),這些點(diǎn)即是點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的粗差,需要通過(guò)掃描儀自帶的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行剔除。

(2)數(shù)據(jù)裁剪

2017年入圍中國(guó)最好大學(xué)排名前100強(qiáng)的9所醫(yī)藥類院校，整體上代表著醫(yī)藥類高等教育的競(jìng)爭(zhēng)力水平，通過(guò)分析這9所高校的排名情況，可以找出其優(yōu)勢(shì)與不足，為長(zhǎng)期的發(fā)展找到突破點(diǎn)。全國(guó)排名中，僅有首都醫(yī)科大學(xué)入圍前50強(qiáng)，其余8所高校均在50～100名之間，其中北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院與天津醫(yī)科大學(xué)的名次接近，兩所高校的綜合競(jìng)爭(zhēng)水平相當(dāng)。單項(xiàng)指標(biāo)全國(guó)排名中，9所高校在培養(yǎng)結(jié)果、科研質(zhì)量、科技服務(wù)和成果轉(zhuǎn)化指標(biāo)上的排名遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于綜合得分全國(guó)排名，在其它單項(xiàng)指標(biāo)的排名上也不具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，這很大程度上限制了其在全國(guó)排名中的競(jìng)爭(zhēng)力。(詳見(jiàn)表4)

三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量極為龐大,其中相當(dāng)一部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)是我們不感興趣的,可以將這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)裁減掉,這樣可以大大提高數(shù)據(jù)處理速度。如接觸網(wǎng)桿、信號(hào)機(jī)、警沖標(biāo)等與岔心提取關(guān)系不大,在數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程中,需要通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件將非道岔點(diǎn)云數(shù)據(jù)裁剪掉,只保留道岔點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

(3)數(shù)據(jù)重采樣

掃描儀獲取的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度不均勻(三維激光掃描儀發(fā)射的激光會(huì)隨著距離的增加而逐漸發(fā)散,相鄰兩測(cè)站掃描重疊區(qū)域的點(diǎn)云密度又明顯大于其他區(qū)域)。 因此,在進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí),需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣,以使點(diǎn)云密度盡量均勻。

應(yīng)用三維激光掃描儀自帶據(jù)數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)進(jìn)行上述預(yù)處理以后,就可以將道岔點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出,保存為絕對(duì)坐標(biāo)X,Y,Z 的格式。

2 軌面數(shù)據(jù)濾波

岔心坐標(biāo)的獲得主要通過(guò)提取鋼軌直線來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此,軌道的枕木等附件可以提前濾除掉,只保留鋼軌的點(diǎn)云數(shù)據(jù),這樣可以極大地減少數(shù)據(jù)量,提高數(shù)據(jù)處理效率。 根據(jù)鐵軌軌面高于枕木及道砟的特點(diǎn),利用軌面高程進(jìn)行濾波。 首先搜索點(diǎn)云數(shù)據(jù)中各點(diǎn)Z 坐標(biāo)的最大值Zmax(Zmax即為軌面高程),設(shè)置濾波閾值h,點(diǎn)云數(shù)據(jù)中高程小于Zmax-h 予以剔除,高程大于或等于Zmax-h 的點(diǎn)作為軌面數(shù)據(jù)予以保留。 為了保證濾波效果,h 的取值宜在5 ～18 cm 之間。

圖2 為軌面高程濾波前的點(diǎn)云數(shù)據(jù), 共有85 177個(gè)點(diǎn),數(shù)據(jù)量較大,且數(shù)據(jù)中存在枕木、道砟等點(diǎn)云信息,影響軌面直線的提取。 圖3 為濾波后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)(只剩3 823個(gè)點(diǎn)),有效地剔除了枕木、道砟等不必要的數(shù)據(jù),保證了后續(xù)軌面直線提取的精度。

圖2 軌面高程濾波前的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖3 軌面高程濾波后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3 直線檢測(cè)

如圖3 所示,濾波后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)投影到平面上表現(xiàn)為4 條鋼軌軌面形狀。 但由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)散亂無(wú)序,無(wú)法確定每個(gè)點(diǎn)屬于哪條鋼軌,此時(shí)尚不能直接擬合鋼軌中心直線。 在精確擬合直線參數(shù)之前,需要對(duì)濾波后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行直線檢測(cè),以確定點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的每個(gè)點(diǎn)屬于哪條直線,然后才能對(duì)屬于同一條直線的點(diǎn)云進(jìn)行處理,并精確擬合直線參數(shù)。

采用Hough 變換算法對(duì)濾波后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行直線檢測(cè),將屬于同一條直線的點(diǎn)存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)組中。 其基本思想是利用點(diǎn)線對(duì)偶特性將圖像空間中邊界檢測(cè)問(wèn)題轉(zhuǎn)換為參數(shù)空間中的累加統(tǒng)計(jì)問(wèn)題。 利用Hough 變換檢測(cè)直線時(shí),直線方程表示為

(1)參數(shù)空間離散化。 確定參數(shù)ρ 和θ 的取值范圍,以一定的間隔Δθ 和Δρ 將θ 和ρ 離散化,得到θi(i=1,2,3,…,m)和ρj(j=1,2,3,…,n)。

(2)建立參數(shù)空間的累加數(shù)組A(ρ,θ),用于存儲(chǔ)一條直線上點(diǎn)的個(gè)數(shù),并將每個(gè)數(shù)組元素置為0。

(3)遍歷θ 在取值范圍內(nèi)的所有值,將原圖像空間中的每個(gè)點(diǎn)帶入直線表達(dá)式,求出相應(yīng)的ρ,若ρ=ρj,則相應(yīng)的累加數(shù)組A(ρj,θi)加1。

(4)為累加數(shù)組A(ρ,θ)設(shè)定一個(gè)閾值T,當(dāng)A(ρj,θi)＞T 時(shí),則ρj和θi即為要檢測(cè)直線的參數(shù)。

在Hough 變換過(guò)程中,θ 的取值范圍為[0°,180°]。 ρ 的最大值為變換域內(nèi)到原點(diǎn)的最大距離。設(shè)變換域內(nèi)x 和y 的最大值分別為xmax和ymax,則ρ 的取值范圍為

4 直線參數(shù)擬合

為了提高直線提取的精度,采用最小二乘法對(duì)Hough 變換檢測(cè)出的直線點(diǎn)集進(jìn)行擬合,計(jì)算出直線的初始斜率k0和初始截距b0,設(shè)直線方程為y=kx+b,共線點(diǎn)的數(shù)量為n,可根據(jù)最小二乘原理擬合直線的斜率和截距,有

擬合出的直線效果如圖4 所示。

圖4 最小二乘法初次擬合

Hough 變換是圖像處理領(lǐng)域中用于直線檢測(cè)的一種常用方法,可將其引入到點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理中,即Hough變換的處理對(duì)象由圖像像素變?yōu)樯y點(diǎn)云。 鐵軌軌面具有一定的寬度,利用Hough 變換檢測(cè)出的直線往往不是1 條,而是斜率和截距相近的直線束。 圖5 為將圖4 局部放大后的效果,可明顯地看出,Hough 變換提取出的直線并不是1 條。

圖5 Hough 變換檢測(cè)出的直線束

使用Hough 變換檢測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的直線特征時(shí),往往先對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行邊緣檢測(cè),然后再進(jìn)行Hough變換檢測(cè),即可得到唯一直線。 然而,求取岔心坐標(biāo)需要提取的是鐵軌軌面的中心線而不是軌面的邊緣,故不能對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)先進(jìn)行邊緣檢測(cè)再提取直線特征。 為了提取鐵軌中心線,需要將所有表示軌面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為同一條直線上的點(diǎn)集進(jìn)行處理。 因此,對(duì)于Hough 變換檢測(cè)出的每條直線,需要重新篩選直線點(diǎn)集并進(jìn)行擬合處理。

從圖5 中可以看出,Hough 變換檢測(cè)出的多條直線雖然參數(shù)不同,但是均分布在表示同一條軌面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中。 根據(jù)直線束的這一特點(diǎn),為每一條直線設(shè)置一個(gè)鄰域,將直線兩側(cè)鄰域內(nèi)所有點(diǎn)均作為表示該條直線的點(diǎn)集,然后采用最小二乘法對(duì)該點(diǎn)集進(jìn)行擬合,即可得到表示該點(diǎn)集的最佳直線。 當(dāng)每條直線的鄰域設(shè)置得足夠?qū)?可以將表示軌面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)全部涵蓋時(shí),圖5 中各條直線的直線點(diǎn)集就包含了表示軌面的所有點(diǎn)云。 該過(guò)程的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:

(1)選取第一次最小二乘擬合得到的直線初始斜率k0和初始截距b0作為初始直線參數(shù)。

(2)為直線設(shè)置一個(gè)具有一定寬度的鄰域,重新篩選同屬于這條初始直線的共線點(diǎn)集,直線鄰域?qū)挾仍O(shè)為d0。

(3)對(duì)于每1 條直線的初始參數(shù)(k0,b0),遍歷所有點(diǎn),計(jì)算點(diǎn)到直線的距離d,當(dāng)d＜d0時(shí),認(rèn)為該點(diǎn)位于直線的鄰域內(nèi),屬于這條直線的直線點(diǎn)集,將其存儲(chǔ)到相應(yīng)的直線數(shù)組。

(4)對(duì)重新篩選出的直線點(diǎn)集進(jìn)行最小二乘擬合,得到該直線的最新參數(shù)。

(5)將每條直線二次擬合得到的相近直線參數(shù)取平均值,即可得到表示鐵軌軌面的中心直線。

需要注意的是,為了使每條直線的鄰域盡可能包含同一鐵軌上的所有點(diǎn)云,直線鄰域?qū)挾萪0的取值應(yīng)大于鐵軌軌面的寬度。 點(diǎn)(x0,y0)到直線(y=kx+b)的距離d 可按照式(3)計(jì)算

5 岔心計(jì)算

由圖4 可知,每組道岔可提取出4 條軌道直線L1、L2、L3、L4,將4 條直線延長(zhǎng)并兩兩相交,可以得到4 個(gè)交點(diǎn)JD1、JD2、JD3、JD4,4 個(gè)交點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)菱形,菱形中心O 即為岔心。 因此,根據(jù)式(4),可以由擬合出的直線參數(shù)計(jì)算出交點(diǎn)JD1、JD2、JD3、JD4 的坐標(biāo),將4 個(gè)交點(diǎn)的坐標(biāo)取平均值,即可得到岔心的坐標(biāo)。

6 實(shí)例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該岔心提取方法的有效性,選取某車站5 組道岔的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn),分別計(jì)算5 組道岔的岔心坐標(biāo),并與傳統(tǒng)人工測(cè)量方式取得的岔心坐標(biāo)進(jìn)行比較,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

由表1 可以看出,兩種方法取得的岔心坐標(biāo)差值較小,其中岔心坐標(biāo)在x 方向上差值最大的為第5 組道岔,差值為1.8 cm;岔心坐標(biāo)在y 方向上差值最大的為第4 組道岔,差值為2.7 cm。 該岔心提取方法的核心思想是基于Hough 變換,原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的密度不均勻性會(huì)造成岔心坐標(biāo)提取結(jié)果存在一定誤差。 從表1 中可以看出,采用該方法計(jì)算出的5 組道岔的岔心坐標(biāo)與人工測(cè)量方式取得的岔心坐標(biāo)差值均在3 cm 以內(nèi),可以應(yīng)用于既有道岔岔心測(cè)量當(dāng)中。 需要指出的是,該方法是基于直線延伸相交的原理計(jì)算岔心坐標(biāo)的,只適用于直線形道岔,對(duì)于曲線形道岔并不適用。

表1 實(shí)例驗(yàn)證結(jié)果 m

7 結(jié)束語(yǔ)

將三維激光掃描技術(shù)引入到鐵路既有站場(chǎng)道岔測(cè)量中,提出了一種基于改進(jìn)的Hough 變換和最小二乘擬合的方法,可自動(dòng)從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取既有道岔的岔心坐標(biāo)。 選取某車站的5 組道岔數(shù)據(jù)對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)表明,該方法不僅可以自動(dòng)計(jì)算出既有道岔的岔心坐標(biāo),大大提高了作業(yè)效率,而且有效規(guī)避了傳統(tǒng)人工測(cè)量方式中測(cè)量人員上線作業(yè)的安全隱患,對(duì)于既有站場(chǎng)測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。