淺談三維激光掃描技術(shù)在復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路全生命周期建設(shè)中的應(yīng)用

周世明

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

某復(fù)雜艱難山區(qū)鐵路整體穿越了我國最長、最寬、最典型的南北向山系橫斷山脈，高烈度地震、高地應(yīng)力、高地溫等工程病害頻發(fā)，地質(zhì)條件極其復(fù)雜，工程建設(shè)頗具挑戰(zhàn)，地質(zhì)災(zāi)害前所未有[1]。在本項(xiàng)目的外業(yè)勘察過程中，很多地方測繪人員難以到達(dá)，部分隧道洞口存在無法近距離接觸的高陡邊坡危巖體，常規(guī)測量設(shè)備和測量手段不能滿足測量要求。為解決該鐵路前期勘測設(shè)計(jì)、中期施工建設(shè)以及后期運(yùn)營維護(hù)的測量難題以及目前鐵路工程測量規(guī)范中尚未明確規(guī)定三維激光掃描標(biāo)準(zhǔn)差的問題，本文通過對工程案例進(jìn)行分析總結(jié)，提出了三維激光掃描標(biāo)準(zhǔn)差，并對三維激光掃描技術(shù)在復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路中的非接觸式測量方法進(jìn)行了探討，結(jié)論可為該鐵路全生命周期建設(shè)提供技術(shù)支撐。

1 三維激光掃描技術(shù)

1.1 三維激光掃描儀系統(tǒng)

三維激光掃描儀主要通過儀器自定義的掃描坐標(biāo)系統(tǒng)、工程坐標(biāo)系統(tǒng)、大地坐標(biāo)系統(tǒng)、相機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)完成掃描點(diǎn)三維坐標(biāo)的相互轉(zhuǎn)換，得到點(diǎn)云空間數(shù)據(jù)。點(diǎn)云空間數(shù)據(jù)主要包含三維坐標(biāo)、空間屬性等掃描點(diǎn)的集合，數(shù)據(jù)處理主要工作包括數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)拼接、數(shù)據(jù)去噪、雜波過濾、數(shù)據(jù)糾偏、數(shù)據(jù)分割以及數(shù)據(jù)分析等[2]。

三維激光掃描系統(tǒng)一般由三維激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、電源以及其他附屬設(shè)備構(gòu)成，并配備與掃描儀相配套的數(shù)據(jù)后處理軟件。

1.2 三維激光掃描系統(tǒng)的特點(diǎn)

三維激光掃描系統(tǒng)具有自動化程度高、受天氣影響小、數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短、精度高等特點(diǎn)，是目前最先進(jìn)的能實(shí)時進(jìn)行地形表面數(shù)據(jù)獲取、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、鐵路工程構(gòu)筑物的變形監(jiān)測、隧道凈空斷面檢測等三維空間信息和影像獲取的現(xiàn)代測量技術(shù)。

1.3 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用前景

鐵路工程三維信息對鐵路既有線改造和鐵路信息化管理非常重要，也是鐵路GIS系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)。采用傳統(tǒng)的測量手段獲取軌道及周圍環(huán)境的三維信息數(shù)據(jù)，在密度和效率上均無法滿足鐵路施工、運(yùn)營維護(hù)及鐵路GIS系統(tǒng)建設(shè)的需求。車載三維掃描測量系統(tǒng)特別適合鐵路工程三維數(shù)據(jù)的快速采集，可直接用于鐵路三維地形數(shù)據(jù)的采集與更新，在鐵路既有線改造、運(yùn)營維護(hù)和鐵路GIS系統(tǒng)建設(shè)中發(fā)揮了重要作用。三維激光掃描在進(jìn)行精準(zhǔn)測量的同時，可獲得高分辨率的三維可視化鐵路數(shù)據(jù)，可用于建立數(shù)字鐵路智能信息化管理系統(tǒng)。同時，數(shù)字鐵路智能化、信息化將為鐵路的施工及維護(hù)管理帶來科學(xué)決策，有助于合理分配資源，優(yōu)化施工及運(yùn)營維護(hù)計(jì)劃，降低管理成本，增強(qiáng)整個企業(yè)的綜合競爭力，從而帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[3]。

2 三維激光掃描測量技術(shù)在復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路全生命周期建設(shè)中的應(yīng)用

三維激光掃描技術(shù)是近年來國際上高效率空間數(shù)據(jù)獲取方面的研究熱點(diǎn)，它是一種通過位置、距離、角度、反射強(qiáng)度等觀測數(shù)據(jù)直接獲取對象表面點(diǎn)三維坐標(biāo)，形成高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地表信息實(shí)時提取和準(zhǔn)確重建三維場景的觀測技術(shù)，同時還可通過掃描技術(shù)獲取的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)在地形測量、施工檢測、運(yùn)營維護(hù)測量階段為鐵路信息化管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，探討三維激光掃描技術(shù)在復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路勘測設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營全生命周期中的應(yīng)用十分必要[4]。

2.1 勘察設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)地形險(xiǎn)峻，對鐵路不良地質(zhì)測繪區(qū)域必須進(jìn)行1∶500地形測量。傳統(tǒng)地形測繪技術(shù)需人工“跑點(diǎn)”，危險(xiǎn)系數(shù)高，工作效率低，而三維激光掃描是一種非接觸性測繪技術(shù)，能夠完全避免地形因素對測繪工作的影響。尤其是在一些危險(xiǎn)區(qū)域(如險(xiǎn)峻的高山、湍急的河流以及懸崖峭壁等)的測繪過程中，三維激光掃描技術(shù)能夠在不接觸測繪對象的情況下，實(shí)現(xiàn)對測繪對象的全面掃描，大大降低了危險(xiǎn)區(qū)域地形測繪的難度和風(fēng)險(xiǎn)。在某車站及沿線不良地質(zhì)區(qū)域1∶500的地形測量中，采用三維激光掃描并三維建模進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益[5]。

2.2 施工建設(shè)階段的應(yīng)用

傳統(tǒng)測量以人工攜帶測量設(shè)備到施工現(xiàn)場或運(yùn)營線路上進(jìn)行測量為主，對施工及運(yùn)營干擾大，安全隱患大，效率低，同時受制于測量人員的技術(shù)水平，測量結(jié)果存在差、錯、漏現(xiàn)象，核查成本高，影響鐵路施工檢測、既有線運(yùn)營維護(hù)的精準(zhǔn)性。因此探討三維激光掃描測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)差及測量技術(shù)方案很有必要。

2.2.1三維激光掃描標(biāo)準(zhǔn)差

目前，在鐵路施工及運(yùn)營維護(hù)測量中，對三維激光掃描儀測量標(biāo)準(zhǔn)差的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還沒有相關(guān)規(guī)定，中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司完成的《基于慣導(dǎo)三維激光掃描移動測量系統(tǒng)在鐵路既有線測量中的應(yīng)用研究》科研項(xiàng)目，創(chuàng)建了在動態(tài)環(huán)境下將線路控制網(wǎng)CPⅡ、軌道控制網(wǎng)CPⅢ引入POS測量系統(tǒng)的聯(lián)合解算方法，可實(shí)現(xiàn)鐵路軌道快速、自動、高精度定位定姿測量，提高弱GNSS信號甚至無GNSS情況下絕對測量的精度。渝黔高速鐵路婁山關(guān)隧道施工、貴陽地鐵運(yùn)營檢測等項(xiàng)目的工程實(shí)踐表明，該測量技術(shù)可作為高原、高寒、高海撥、復(fù)雜地質(zhì)等條件下的主要檢測測量技術(shù)，因此制定其主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)具有十分重要的意義[6]。渝黔高速鐵路采用移動三維掃描的精度驗(yàn)證報(bào)告如表1所示。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析可知，在測段范圍內(nèi)，基于既有線約束點(diǎn)精度改善技術(shù)，在CPⅡ控制點(diǎn)約束下 (CPII點(diǎn)間距400～600 m)，平面精度優(yōu)于 2 cm，高程精度優(yōu)于 1 cm；在CPⅢ控制點(diǎn)約束下(CPⅢ點(diǎn)間距60～150 m)，平面精度優(yōu)于 1 cm，高程精度優(yōu)于1 cm，完全滿足鐵路工程相關(guān)測量規(guī)范的技術(shù)要求[7]。三維激光掃描按照設(shè)置方式可分為固定式和移動式，三維激光掃描儀測量標(biāo)準(zhǔn)差限差如表2所示。

表2 三維激光掃描儀測量標(biāo)準(zhǔn)差限差

2.2.2路基工程及結(jié)構(gòu)物施工數(shù)據(jù)檢測

路基工程及結(jié)構(gòu)物施工數(shù)據(jù)檢測流程如下：

(1)在路基本體工程成型后，可采用汽車作為載體，將掃描設(shè)備固定在汽車上，以30 km/h行車速度對全線進(jìn)行移動掃描，路基移動掃描測量示意圖如圖1所示。

圖1 路基移動掃描測量示意圖

(2)根據(jù)掃描測量獲取的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提取施工路基、橋梁及隧道等的實(shí)時施工數(shù)據(jù)，檢測路肩施工高程、橋面施工高程、隧道凈空限界等施工數(shù)據(jù)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)根據(jù)三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和高清晰360°全景影像數(shù)據(jù)，提取施工界面周邊環(huán)境、路基面、結(jié)構(gòu)物的三維坐標(biāo)及全景影像進(jìn)行施工管理及施工質(zhì)量評價(jià)。

2.2.3隧道變形監(jiān)測

在隧道施工過程中，隨著施工界面對周圍環(huán)境的改變，各種工程構(gòu)筑物或多或少都有一定的變形，為評價(jià)其變形量是否在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，需定期對其進(jìn)行施工變形監(jiān)測。

山區(qū)鐵路隧道埋置較深，施工中隨著隧道周圍巖體應(yīng)力的釋放，易發(fā)生巖爆。因此，施工階段對隧道工程的變形監(jiān)測尤為重要，且可以預(yù)見，在復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路隧道施工中，因地質(zhì)應(yīng)力釋放發(fā)生隧道變形的幾率更大，其變形監(jiān)測周期長，監(jiān)測頻率高，只有采用三維激光掃描技術(shù)，才能滿足監(jiān)測要求[8]。

2.2.4竣工驗(yàn)收

鐵路軌道鋪設(shè)及控制網(wǎng)CPⅢ建立后，可采用以軌道車為載體的三維激光移動掃描技術(shù)，以 4～6 km/h行車速度對全線進(jìn)行移動掃描，建立鐵路竣工后的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，作為運(yùn)營期變形監(jiān)測評價(jià)、運(yùn)營安全評價(jià)、信息化管理的初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫[9]。

(1)數(shù)據(jù)采集

①利用軌道兩側(cè)沿線CPⅢ控制網(wǎng)進(jìn)行靶標(biāo)布設(shè)，按照60 m左右間隔在鐵路兩側(cè)布設(shè)成對靶標(biāo)，采用移動掃描方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，靶標(biāo)可直接放置于控制點(diǎn)上，并采用CPⅢ同坐標(biāo)及高程數(shù)據(jù)。

②在點(diǎn)云中提取靶標(biāo)控制點(diǎn)，通過擬合確定其中心三維坐標(biāo)，并由此引入測量CPⅢ控制網(wǎng)三維坐標(biāo)進(jìn)行平差融合計(jì)算。

(2)質(zhì)量評價(jià)

根據(jù)全線高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫，結(jié)合施工圖設(shè)計(jì)資料，提取全線設(shè)計(jì)中線、隧道凈空限界斷面等并與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對比，對隧道工程、橋涵工程、路基工程、運(yùn)營設(shè)施等進(jìn)行施工質(zhì)量評價(jià)。

2.3 運(yùn)營維護(hù)階段的應(yīng)用

2.3.1三維激光掃描數(shù)據(jù)采集

在鐵路運(yùn)營階段測量以移動測量技術(shù)方式為主，其主要優(yōu)勢是能快速、高密度、高精度地獲取三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。鐵路既有線掃描測量主要有兩種移動掃描測量方式。

(1)對于以軌道平板車為載體的移動測量方案，平面坐標(biāo)變換需沿鐵路線每4 km設(shè)置1個控制點(diǎn)，高程需沿鐵路線每2 km設(shè)置1個控制點(diǎn)。

(2)對于以軌道小車為載體的移動測量方案，平面和高程都通過沿線CPⅢ控制網(wǎng)進(jìn)行靶標(biāo)布設(shè)。

(3)每個控制點(diǎn)需同時具有水準(zhǔn)高程、WGS84坐標(biāo)(或CGCS2000坐標(biāo))和獨(dú)立工程坐標(biāo)[10]。

2.3.2軌道幾何參數(shù)提取[11]

從原始掃描激光點(diǎn)云中分割軌道三維激光點(diǎn)云，根據(jù)三維激光掃描系統(tǒng)的軌跡數(shù)據(jù)，確定軌道概略中心線，并以此中心線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

(1)利用三維激光掃描系統(tǒng)融合生成的POS位置姿態(tài)信息數(shù)據(jù)，采用軌道動態(tài)測量結(jié)合設(shè)備自身標(biāo)定好的結(jié)構(gòu)信息參數(shù)，通過特殊算法自動分類出軌道面點(diǎn)云。

(2)利用分類的軌面激光點(diǎn)云，POS姿態(tài)信息結(jié)合設(shè)備標(biāo)定參數(shù)，構(gòu)建任意里程處橫斷面軌面中心坐標(biāo)系，將該軌面坐標(biāo)系下軌頂處點(diǎn)云按平面3 cm、高程3 cm空間進(jìn)行濾波處理，最終得到任意斷面軌頂點(diǎn)數(shù)據(jù)。

(3)利用指定間距的軌頂點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，形成最終的精確軌道幾何參數(shù)。

2.3.3特征點(diǎn)提取

(1)點(diǎn)狀設(shè)施提取

基于大數(shù)據(jù)引擎技術(shù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)根據(jù)顏色、強(qiáng)度及幾何形狀信息判識出鐵路上的點(diǎn)狀設(shè)施，并按照要求采集其關(guān)鍵點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

(2)接觸網(wǎng)及跨線設(shè)施自動分類提取

針對鐵路沿線十分規(guī)律的既有線信息(如接觸網(wǎng)及跨線物數(shù)據(jù))，利用激光點(diǎn)云自動分類，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建獨(dú)立軌面坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)或跨線物的里程、高程分類統(tǒng)計(jì)[12]。

(3)隧道斷面線提取

利用輸出的POS中心線信息，按指定里程提取隧道斷面數(shù)據(jù)，并輸出二維斷面圖[13]。

2.3.4鐵路既有線設(shè)備管理調(diào)查[14]

(1)采用三維激光移動掃描可快速獲取鋼軌高密度、高精度的三維點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)和連續(xù)的360°全景影像數(shù)據(jù)。

(2)分別將軌跡姿態(tài)數(shù)據(jù)與激光掃描數(shù)據(jù)、全景影像數(shù)據(jù)進(jìn)行地理參考處理可得到鐵路線路及沿線設(shè)施的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

(3)將帶坐標(biāo)的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和帶屬性的360°全景影像數(shù)據(jù)相結(jié)合，充分發(fā)揮兩種數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)鐵路既有線線路及設(shè)施的調(diào)查與測繪。

2.3.5自動化檢測

復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路以隧道工程為主，部分隧道屬于高地?zé)帷④泿r大變形隧道，在運(yùn)營期需對隧道開展定期巡查與風(fēng)險(xiǎn)識別，快速、高效、精確地發(fā)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)的變形和病害，并便捷、準(zhǔn)確地處理海量檢測數(shù)據(jù)，便于進(jìn)行安全評估和預(yù)報(bào)預(yù)警。同時，還需定期對隧道做“三維CT掃描”體檢，及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形和病害，以便及時進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制，保障隧道結(jié)構(gòu)安全[15]。如某鐵路線路所經(jīng)地區(qū)大部分屬于高寒、缺氧地區(qū)，不適合人類長期居住及工作，運(yùn)營維護(hù)難度極大，要解決上述問題，采用非接觸式自動化檢測技術(shù)勢在必行，采用三維激光掃描技術(shù)結(jié)合GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)自動化檢測。

(1)基準(zhǔn)站

結(jié)合鐵路工程及地質(zhì)條件建立鐵路GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)網(wǎng)絡(luò)和精密高程基準(zhǔn)面模型，以參考站作為基準(zhǔn)，動態(tài)維持與提供高精度位置和高程的全天侯空間位置服務(wù)[16]，參考站與軌檢小車的工作示意如圖2所示。

圖2 參考站與軌檢小車工作示意圖

(2)掃描測量

根據(jù)運(yùn)營維護(hù)需求，對鐵路開展分段掃描測量。移動檢測速度為4～6 km/h，以100萬點(diǎn)/s的高速采集覆蓋隧道內(nèi)壁的掃描點(diǎn)云信息，一次掃描可獲取結(jié)構(gòu)變形、影像資料、凈空斷面等成果。

(3)檢測評價(jià)

①每次運(yùn)營維護(hù)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，與竣工階段建立的“初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫”資料進(jìn)行對比，評價(jià)隧道的變形量和變形趨勢。

②利用高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提取軌道幾何參數(shù)、三角坑、超高、欠超高等數(shù)據(jù)，評價(jià)軌道的平順性。

③利用高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提取軌道周邊管理設(shè)施，評價(jià)安全管理措施是否滿足運(yùn)營要求。

3 結(jié)論

復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路施工和運(yùn)營難度極大，為應(yīng)對復(fù)雜自然災(zāi)害對鐵路運(yùn)營的影響，提前做好測繪新技術(shù)的應(yīng)用研究很有必要。本文對三維激光掃描技術(shù)在鐵路勘測設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營維護(hù)階段的應(yīng)用進(jìn)行了探討，研究成果可為復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路設(shè)計(jì)施工及運(yùn)營維護(hù)提供技術(shù)支撐。

(1)本文提出的三維激光掃描儀測量標(biāo)準(zhǔn)差限差值可為鐵路工程測量規(guī)范的修編提供技術(shù)支持。

(2)三維激光掃描技術(shù)形成的非接觸快速測量技術(shù)，能解決復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路勘測設(shè)計(jì)階段復(fù)雜地形區(qū)域的精細(xì)化測量，可應(yīng)用于鐵路的施工檢測和運(yùn)營維護(hù)檢測等。

(3)川藏鐵路GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)網(wǎng)絡(luò)拓展形成的三維激光移動掃描網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可作為鐵路運(yùn)營階段的自動化檢測技術(shù)，對提高效率、保證成果質(zhì)量及安全生產(chǎn)具有重要意義。