1、地面激光扫描仪在既有线施测中的应用【摘 要】在铁路线路测量中，使用经纬仪等常规方法受铁路运行影响比较大，效率低，并且对测量人员安全造成很大隐患。地面激光扫描技术为铁路测量提供了一种新方法，利用 Surphaser25HSX 激光扫描仪在甘泉铁路进行扫描得到点云数据，后期运用 Cyclone、Geomagic 和Geomagic qualify 软件对点云数据进行除噪，补洞，拼接并生成数据模型，提取中心线等要素，与常规测量数据进行精度分析，其结果与常规测得数据相近，该方法具备推广价值。 【关键词】铁路线路测量；地面激光扫描；新方法 1.概述 铁路运行中，要保证旅客安全、舒适，需要列车运行时要安全
2、、可靠、平稳。既有线中，为了运营安全，需要保持铁路线路几何状态，因此测量成为列车运行安全的重要环节。在既有线测量过程中，需要测量里程及其对应位置的中线位置，地形，高程，横断面，钢轨几何状态等参数。既有线列车运行密度大，传统方法受列车运行影响较大，能耗大，效率低。 传统测量方法是利用传统测量仪器（如全站仪）等对线路进行单点测量，作业量大，人员配置较多，测量过程受铁路运营影响大，针对于高速铁路运营密度大， “天窗”时间更少，其常规测量受运营影响更大。 三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，它是通过高速激光扫面被测量物体，得到物体表面的三维点云数据，进而得到实物数字模型。三维激光扫面可以快速获得大量
3、的实物空间点位信息，是快速建立物体三维影像的方法，具有快速性，不接触性，实时、动态性，高密度、高精度，自动化等特性，并且受列车运营影响较小，为既有线测量提供了一种快速，安全的新方法。 2.既有线的常规施测方法 既有线测量常规方法是在“天窗”时间内，以已知基准点为基础，利用经纬仪、水准仪组合或全站仪，对待测控制点逐一进行高程和角度测量，后进行计算，得到待测控制点的高程及坐标数据后，利用道尺或轨检小车对轨道测量得到轨道的几何数据。 3.既有线扫描仪的施测方法 扫描仪方法是利用激光扫描仪，对所测路段分站进行激光扫描，获取点云数据，建立独立坐标系，利用软件进行补洞，拼接，封装等处理，然后与已知控制点联
4、系回归大地坐标系，得到想要的数据信息。 4.应用实例 4.1 实验概况 本次试验在甘泉铁路包头段（K126000.000K127549.790）进行，其中该段包括路基，桥梁，涵洞，路堑等基础形式；线形包括直线、缓和曲线、圆曲线；采用 Surphaser25HSX 型号的激光扫描仪，其精度为1.7mm，相较于徕卡 HDS6000 等有较高的精度1；铁路钢轨上安放球形反射标志，铁路两侧安放平面反射标志，且每站标志相距 25m，并且交替安放1，控制点布置图如图 1，扫描仪及标靶安放布置图如图 2。 4.2 数据采集 扫描仪在水平和垂直方向都是 360旋转，考虑到在垂直方向上有基座的存在，故在底座下方
5、一定范围内扫描不到，会出现一半径较小的测量漏洞，而且随仪器放置高度增加，漏洞半径越大，这样会对关键数据造成影响，所以在线路测量中，一定要避免。本次试验采用有脚架中心测（如图 3） ，有脚架双边测（如图 4） ，无脚架中心测（如图 5）等三种方法对轨道进行测量，在有脚架中心测侧段内，扫描仪布置在两股钢轨之间；有脚架在双边测段内，为了获得两股钢轨内侧点位信息，将扫描仪按“之”字形布置在轨道外侧依次进行扫描。扫描仪最佳扫描距离为30m，在两股钢轨上每 25m 布置两个球形标靶，且两个标靶前后错开 3m左右距离，在球形标靶布置位置旁的基础上布置一个平面标靶，并沿“之”字形布置。无脚架中心测段内，将扫描
6、仪放置在钢轨上进行扫描，由于扫描高度降低，其扫描距离减小，故除将两边标靶向扫描仪移近10m，其它布置方式与有脚架中心测方式相同。 4.3 数据处理 利用 cyclone 和 geomagic 软件对外业采集的数据（共 103 站）先后进行去噪2-3，补洞，拼接等处理，有脚架中心测轨道部分数据缺失，需要做补洞处理4，由于无脚架中心在中央形成的黑洞不影响钢轨数据，故不做补洞处理，将形成的整体点云图形成独立坐标系并回归绝对坐标。生成准确的三角网模型，在软件中进行修补等，生成准确的实物数字模型5。 4.4 数据分析 为了精确比较施测精度，首先采用常规方法得到中桩坐标，利用Geomagic qualif
7、y 软件，将处理的数据与用常规方法测得中线上精确点位信息相对比6，标准偏差为 0.174m，最大上偏差为 0.784m，最大下偏差为 0.334m，在0.14m 点数为 74.7%，随机选取 13 个点得出表 1 和图 6 所示数据，C001-C003 为有脚架中心测测段内，C004-C011 为有脚架双边测测段内，C012-C013 为无脚架中心测测段内。 从表 1 和图 6 可以看出，扫描数据生成的与常规（下转第 236 页）（上接第 234 页）方法获得的有所不同，原因分析如下：（1）针对于有脚架中心测方法，其扫描漏洞影响到钢轨顶面数据，虽然在两站进行拼接时将漏洞修补，但修补的数据离扫描
8、仪较远，其误差相对较大；有脚架双边测方法，因为在一边扫描，只能得到远离扫描仪的钢轨内侧数据，而靠近扫描仪的钢轨内侧数据没有，需将扫描仪移到下一站进行扫描，故“之”字形扫描后，其拼接的数据亦是将下站误差较大数据拼接到上一站数据中；无脚架中心测方法，将扫描仪直接放到轨枕上，由于轨枕上表面会有灰尘等杂物，扫描时会出现振动，加大数据偏差。从图中看出偏差仅为 3mm，满足既有线精度调整要求。 （2）由于平面标靶用胶带粘贴在脚架上，同一标靶在不同站使用时，其反射角度不同，其获得数据也不尽相同，使偏差值变大。 （3）其它原因，在测量过程中，有段时间内由于风力太大，平面标靶或许有少量偏移，仪器会有些震动，加大
9、的数据的偏差。 5.结论 此次试验，是针对激光扫描仪在既有线中施测方法的研究，对 1.5km既有铁路分 3 种方法进行扫描，得到扫描数据，然后对数据进行拼接处理，并与常规方法进行比较。较其它传统方法，利用扫描仪对既有线施测优点是：操作容易，无需整平等操作；节省人力，一组只需配置 2 人；节省时间，采集一站数据只需用 3 分钟；非接触式测量，对运营影响较小；受天气影响小，只需接收到物体的反射光线，就可以得到所需点云数据；在测量中采用球形标靶有效减小反射及拼接误差；本次试验是在冬季进行，轨温在 20以下，减小采集误差。故利用激光扫描仪进行既有线测量快速，高效，本方法值得推广。 本次试验中尚存在一些
10、问题：在采集数据过程中，基于是接收物体反射线来采集数据，在采集轨道几何状态时，需要将轨道表面杂物清除干净，以免影响测量精度；在内业处理数据时，由于数据量太大，对电脑配置要求较高，需使用专门软件进行处理。在数据筛选及处理软件方面需要进一步优化。 参考文献： 1李建强.地面激光扫描技术在既有铁路勘测中的应用研究J.铁道建筑，2012（4）：128-132. 2赵军，曲仕茹.激光线扫描测量数据点的处理方法研究J.兰州交通大学学报，2005（12）： 97-99. 3隋连升，蒋庄德.栅格型点云数据的自由曲面建模技术研究J.计算机辅助设计与图形学学报，2003，15（10）：1293-1297. 4徐源强，高井祥，张丽，王坚，郑南山.地面三维激光扫描的点云配准误差研究J.大地测量与地球动力学，2011（4）：129-132. 5李德江，张延波，于曼竹，姜丽丽，曲雪光.基于扫描模式的点云修复技术研究J.测绘与空间地理信息，2011（12）：159-171. 6赵长石，韩峰.铁路中桩坐标统一计算模型J.兰州交通大学，2009（2）：49-51. 作者简介：窦鹏（1985） ，河北保定人，硕士，研究方向：道路与铁道工程。
