重載鐵路檢測(cè)裝備中三維與二維激光掃描儀檢校方法

曹海濱,王新平,王文斌,張正軍,尹太軍,曾 杉

(1. 中國(guó)神華能源股份有限公司,北京 100011; 2. 國(guó)家能源集團(tuán),北京 100034; 3. 中科吉芯(秦皇島)信息技術(shù)有限公司,河北 秦皇島 066000; 4. 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101)

重載鐵路作為我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)的重要組成部分,對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義[1-2]。重載鐵路具有車(chē)輛軸重大、列車(chē)總重大、行車(chē)密度大的特點(diǎn),在長(zhǎng)期重載負(fù)荷作用下,鋼軌、聯(lián)結(jié)零件及道床等的磨損與劣化現(xiàn)象發(fā)生演化,從而使線(xiàn)路設(shè)備設(shè)施服役狀態(tài)不斷發(fā)生變化,為保障重載鐵路運(yùn)輸安全,需要高頻次、常態(tài)化地對(duì)線(xiàn)路進(jìn)行測(cè)量和檢測(cè)。

傳統(tǒng)的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的靜態(tài)測(cè)量和檢測(cè)是通過(guò)全站儀、道尺、接觸網(wǎng)幾何測(cè)量?jī)x、激光測(cè)距儀等測(cè)量設(shè)備對(duì)各項(xiàng)檢查內(nèi)容進(jìn)行逐一測(cè)量。這種方式不僅效率低,而且需要投入大量的人力成本和設(shè)備維修成本,頻繁線(xiàn)上作業(yè)也存在安全隱患[3]。為保障在運(yùn)量不斷增長(zhǎng)的情況下確保線(xiàn)路基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)良好,國(guó)家能源集團(tuán)探索使用移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)(mobile mapping system,MMS)獲取線(xiàn)路高密度、高精度、三維可視化的點(diǎn)云,將外業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施檢查和高精度測(cè)量檢測(cè)工作轉(zhuǎn)變?yōu)槭覂?nèi)數(shù)據(jù)分析工作,降低線(xiàn)上作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)和作業(yè)成本。該系統(tǒng)常用于鐵路復(fù)測(cè)[4-6]、限界測(cè)量[7]、鋼軌軌道提取[8-10]、鐵路邊坡檢測(cè)[11]等領(lǐng)域。

現(xiàn)有MMS系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足重載鐵路鋼軌的亞毫米精度測(cè)量需求,因此需要設(shè)計(jì)、構(gòu)建一種新型的車(chē)載移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)。新系統(tǒng)集成二維線(xiàn)結(jié)構(gòu)光激光器和傳統(tǒng)的三維相位式激光器,可很好地發(fā)揮二維線(xiàn)激光短距離、亞毫米鋼軌高精度測(cè)量和三維相位式激光器中長(zhǎng)距離全面感知測(cè)量的優(yōu)勢(shì)[12]。二維線(xiàn)激光與三維相位式激光精準(zhǔn)三維時(shí)空同步是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合和高精度三維量測(cè)的基礎(chǔ),二維與三維激光器檢校是這套鐵路移動(dòng)激光測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟。本文針對(duì)這一需求,根據(jù)不同激光器的數(shù)據(jù)特點(diǎn),探索和研究一種通用的鐵路移動(dòng)激光測(cè)量系統(tǒng)的檢校方法,以實(shí)現(xiàn)不同激光器數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)融合。

1 MMS系統(tǒng)組成與重載鐵路點(diǎn)云數(shù)據(jù)特征

1.1 MMS系統(tǒng)組成

本文研發(fā)的基于軌道的移動(dòng)式重載鐵路高精度檢測(cè)裝備如圖1所示。該裝備由三維激光掃描儀、二維線(xiàn)激光器、全景相機(jī)、組合導(dǎo)航系統(tǒng)、軌道檢測(cè)車(chē)載體組成。數(shù)據(jù)采集傳感器參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 數(shù)據(jù)采集傳感器參數(shù)

圖1 重載鐵路高精度檢測(cè)裝備設(shè)計(jì)

1.2 重載鐵路點(diǎn)云數(shù)據(jù)特征

該重載鐵路高精度檢測(cè)裝備工作時(shí),其搭載的三維激光掃描儀和全景相機(jī)數(shù)據(jù)相融合,能獲得鋼軌線(xiàn)路通道上的真彩三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),為重載鐵路線(xiàn)路及周邊環(huán)境檢測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。鋼軌三維激光掃描儀安置在裝備上部,受該掃描儀掃描點(diǎn)頻率限制,三維激光掃描數(shù)據(jù)采集的鋼軌三維數(shù)據(jù)點(diǎn)密度較低,點(diǎn)云精度發(fā)散,無(wú)法獲得鋼軌的精細(xì)結(jié)構(gòu)。此外,受鋼軌頂部遮擋影響,三維激光掃描數(shù)據(jù)中鋼軌側(cè)面點(diǎn)云缺失,如圖2、圖3所示。

圖2 本文裝備采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖3 局部區(qū)域軌道點(diǎn)云數(shù)據(jù)(高程渲染)

重載鐵路高精度檢測(cè)裝備搭載二維線(xiàn)激光器,用于采集鋼軌輪廓三維信息。位于載體底部的二維線(xiàn)激光器距離鋼軌近,掃描點(diǎn)頻率高,能更好地獲得鋼軌及組件的精細(xì)三維數(shù)據(jù)。二維激光掃描器傾斜安裝,能有效獲取鋼軌側(cè)面輪廓的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

三維激光掃描儀與全景相機(jī)的融合數(shù)據(jù)和二維線(xiàn)激光器數(shù)據(jù)可優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),獲得鋼軌及其組件、周?chē)匚锏娜S數(shù)據(jù)。但受安置誤差、儀器系統(tǒng)誤差等影響,一體化固聯(lián)后的三維激光掃描儀和二維線(xiàn)激光器采集的數(shù)據(jù)之間空間位置存在偏差,如圖2中局部橫截面圖所示。為降低兩種激光掃描數(shù)據(jù)之間的坐標(biāo)偏差,需對(duì)本文裝備搭載的傳感器進(jìn)行聯(lián)合檢校[13]。

2 重載鐵路檢測(cè)裝備中多源激光點(diǎn)云高精度檢校方法

重載鐵路高精度檢測(cè)裝備搭載多個(gè)激光掃描儀。由于安置傳感器時(shí)不可避免地會(huì)存在誤差,多個(gè)激光掃描儀采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間存在坐標(biāo)偏差。為獲得重載鐵路場(chǎng)景一體化數(shù)據(jù),需對(duì)上述多個(gè)激光掃描儀進(jìn)行檢校。通過(guò)數(shù)學(xué)方法,建立各個(gè)激光掃描儀之間的內(nèi)在關(guān)系,可實(shí)現(xiàn)基于重載鐵路高精度檢測(cè)裝備的重載鐵路場(chǎng)景高精度還原。

2.1 檢校場(chǎng)布設(shè)與數(shù)據(jù)采集

針對(duì)線(xiàn)激光測(cè)距范圍小、線(xiàn)激光光照反射敏感度高的問(wèn)題,設(shè)計(jì)直徑尺寸為30～65 mm的靶標(biāo)球,如圖4所示。靶標(biāo)球顏色涂裝為啞光灰色和棕色,設(shè)計(jì)不同高度的磁吸座,實(shí)現(xiàn)靶標(biāo)球高度不同的差異化布局。

圖4 靶標(biāo)球

為高精度檢校重載鐵路檢測(cè)裝備中的兩類(lèi)激光掃描儀,需要布設(shè)帶有一定控制點(diǎn)的檢校場(chǎng)。由于線(xiàn)掃描儀測(cè)距較小[14],在檢校場(chǎng)內(nèi)的軌道內(nèi)側(cè)均勻布設(shè)特制靶標(biāo)球。上述靶標(biāo)球大小不一、高低不同,使得靶標(biāo)球球心不在一條線(xiàn)上,為后續(xù)檢校參數(shù)計(jì)算提供了高精度的控制點(diǎn)。檢校場(chǎng)布設(shè)如圖5所示。

圖5 靶標(biāo)球布設(shè)

2.2 數(shù)據(jù)采集

檢校場(chǎng)布設(shè)完成后,利用重載鐵路高精度檢測(cè)裝備采集檢校場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的三維數(shù)據(jù)。為方便后續(xù)計(jì)算,軌道檢測(cè)車(chē)以3 m/s的速度行進(jìn),線(xiàn)激光器最大掃描頻率設(shè)為500 Hz,以等時(shí)或等距方式觸發(fā)采集。設(shè)備安裝了里程計(jì),可通過(guò)里程計(jì)進(jìn)行等距觸發(fā),觸發(fā)頻率可調(diào)。

2.3 檢校參數(shù)計(jì)算

為求取三維激光掃描儀與二維線(xiàn)激光器之間的檢校參數(shù),以點(diǎn)位精度更高的二維線(xiàn)激光器為基準(zhǔn)點(diǎn)云,以三維激光掃描儀為目標(biāo)點(diǎn)云,計(jì)算兩類(lèi)激光掃描數(shù)據(jù)之間的坐標(biāo)變換參數(shù)。下文闡述具體實(shí)現(xiàn)方法。

2.3.1 擬合靶標(biāo)球球心

受三維激光掃描點(diǎn)云與二維線(xiàn)激光掃描點(diǎn)云覆蓋范圍、精度差異影響,直接利用多源點(diǎn)云整體計(jì)算多臺(tái)激光掃描儀之間的檢校參數(shù)效率較低,且易受噪聲影響。本文選擇多源點(diǎn)云數(shù)據(jù)中靶標(biāo)球球心作為特征點(diǎn),計(jì)算檢校參數(shù),因此首先擬合三維與二維激光掃描點(diǎn)云中的靶標(biāo)球球心。

利用人工選取點(diǎn)云中靶標(biāo)球區(qū)域,基于隨機(jī)抽樣一致算法(random sample consensus,RANSAC)[15]擬合目標(biāo)區(qū)域中靶標(biāo)球球心。具體步驟如下:

(1)在目標(biāo)區(qū)域中任取4個(gè)點(diǎn)的云點(diǎn),其對(duì)應(yīng)的球面方程式為

(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2=0

(1)

(2)計(jì)算其他點(diǎn)至該球面的距離,若該距離小于設(shè)定閾值,則認(rèn)為該點(diǎn)為內(nèi)點(diǎn),否則為外點(diǎn)。

(3)通過(guò)迭代計(jì)算多組擬合球面方程,選擇內(nèi)點(diǎn)數(shù)目最多的球面方程作為靶標(biāo)球擬合方程,該球面對(duì)應(yīng)的球心為靶標(biāo)球球心。

2.3.2 基于靶標(biāo)球球心特征的檢校參數(shù)計(jì)算

假設(shè)P={p1,p2,…,pi,pi∈3},為三維激光掃描數(shù)據(jù)中靶標(biāo)球球心坐標(biāo)集合;Q={q1,q2,…,qj,qj∈3},為二維線(xiàn)激光掃描數(shù)據(jù)中靶標(biāo)球球心坐標(biāo)集合。由于三維、二維激光掃描儀一體化固聯(lián),P與Q中的靶標(biāo)球球心可組成n對(duì)同名點(diǎn)對(duì),同名點(diǎn)對(duì)pi、qj之間的距離Dij可表示為

(2)

式中,(xpi,ypi,zpi)、(xqj,yqj,zqj)分別表示pi、qj的三維坐標(biāo)。

計(jì)算所有同名點(diǎn)對(duì)之間的坐標(biāo)距離后,構(gòu)建代價(jià)函數(shù)J為

(3)

為使得代價(jià)函數(shù)J降低,需對(duì)三維激光掃描數(shù)據(jù)中靶標(biāo)球球心坐標(biāo)變換,變換方法為

[x′piy′piz′pi]T=R[xpiypizpi]T+T

(4)

式中,(x′pi,y′pi,z′pi)表示pi變換后的坐標(biāo);R為旋轉(zhuǎn)矩陣;T為平移矩陣。

為尋找最優(yōu)變換參數(shù)[RT],使得代價(jià)函數(shù)J最低,采用迭代最近點(diǎn)[16](iterative closest point,ICP)算法。最后利用最優(yōu)變換參數(shù)[RT]對(duì)三維激光掃描點(diǎn)云的坐標(biāo)進(jìn)行變換,完成三維激光掃描點(diǎn)云與二維線(xiàn)激光掃描點(diǎn)云之間的檢校。

3 檢校試驗(yàn)結(jié)果及精度分析

選擇我國(guó)北方某重載鐵路中兩段鋼軌作為試驗(yàn)區(qū)域。在兩條鋼軌的內(nèi)側(cè)布設(shè)靶標(biāo)球。隨機(jī)挑選15個(gè)靶標(biāo)球作為檢核點(diǎn)用于檢校精度驗(yàn)證,其余靶標(biāo)球用于數(shù)據(jù)檢校。檢校結(jié)果如圖6所示,其中綠色為三維激光掃描儀掃描數(shù)據(jù),紅色為二維線(xiàn)激光掃描數(shù)據(jù)。

圖6 檢校后結(jié)果

由圖6中檢校后鋼軌側(cè)面、斷面示意圖可知,經(jīng)檢校后,三維激光掃描數(shù)據(jù)與二維線(xiàn)激光掃描數(shù)據(jù)鋼軌部分貼合緊密,檢校效果較好。為定量評(píng)估經(jīng)檢校后該裝備獲取的重載鐵路三維還原精度,利用檢核點(diǎn)對(duì)檢校后數(shù)據(jù)精度驗(yàn)證。重載鐵路三維還原檢校殘差如圖7所示,檢校前后重載鐵路三維數(shù)據(jù)均方根誤差如圖8所示。

圖7 檢校后殘差分布

圖8 檢校前后均方根誤差變化

由圖7(a)—(c)可知,經(jīng)多傳感器聯(lián)合檢校后,三維激光掃描儀與二維線(xiàn)激光器數(shù)據(jù)在X、Y、Z方向上檢校殘差數(shù)值較小,均小于0.003 m。其中,區(qū)域1內(nèi)多傳感器檢校后在3個(gè)方向上檢校殘差的中誤差分別為0.000 9、0.000 5、0.001 0 m,區(qū)域2檢校殘差中誤差分別為0.001 7、0.000 7、0.001 2 m。由圖7(d)不同方向檢校殘差分布可知,經(jīng)檢校,X、Y、Z方向上檢校殘差數(shù)值分布集中,殘差的中位數(shù)和均值均分布于-0.001～0.001 m內(nèi),且均接近于0。這說(shuō)明檢校后,本項(xiàng)目研制的重載鐵路高精度檢測(cè)裝備搭載的多源傳感器數(shù)據(jù)能高精度融合。

由圖8可知,檢校后三維激光掃描數(shù)據(jù)和二維線(xiàn)激光數(shù)據(jù)之間的坐標(biāo)系偏差由厘米級(jí)降至毫米級(jí),實(shí)現(xiàn)了兩種數(shù)據(jù)的高精度融合。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種重載鐵路檢測(cè)裝備中三維與二維激光掃描檢校方法,設(shè)計(jì)了適用于二維與三維均能精準(zhǔn)識(shí)別的激光標(biāo)靶球,通過(guò)求取三維激光標(biāo)靶球和二維激光標(biāo)靶球的最佳匹配擬合參數(shù),歸算出三維激光器與二維激光器的安置角和偏心距的旋轉(zhuǎn)矩陣,實(shí)現(xiàn)了三維激光數(shù)據(jù)與二維激光數(shù)據(jù)優(yōu)于2 mm的精準(zhǔn)融合。該方法具有先采集后檢校、操作簡(jiǎn)單、節(jié)省人力、效果好的優(yōu)點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)集成設(shè)備二維與三維激光數(shù)據(jù)高精準(zhǔn)融合匹配,為后續(xù)基于高精度激光點(diǎn)云進(jìn)行鐵路軌道幾何、限界測(cè)量、建筑限界及鐵道工程測(cè)量的應(yīng)用研究奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ),具備較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。