车载移动测量系统在铁路线测量中的应用



车载移动测量系统在铁路线测量中的应用

李雪义1，翟玉平1，田源2

(1. 乌鲁木齐市国土资源勘测规划院，新疆 乌鲁木齐 830002； 2. 拓佳丰圣(上海)科贸有限公司，上海 200000)

一、引言

车载移动测量系统集成GNSS、IMU惯性导航单元、三维激光扫描、影像处理、摄影测量、地理信息系统及集成控制等高新技术，通过三维激光扫描采集空间信息，全景照相获取影像，由卫星及惯性定位确定影像的位置姿态等测量参数，最终在影像上实现虚拟测量，完成测绘任务。目前，车载移动测量系统已成为应用广泛的地面测绘手段。

兰新铁路新疆段作为全疆铁路重要的骨干线路，全线封闭运行，是通往内地的铁路生命线。乌鲁木齐管辖从乌西三坪车站到甘肃境内的柳园铁路线路，全长约830 km。为了完成铁路资产确权与核准工作，笔者所在单位承担了兰新铁路从河西站至乌鲁木齐西站共计36站(场)的铁路土地使用权线路测绘工作。由于项目要求工期紧，时间又是冬季，天气寒冷，且沿途环境恶劣，途径“百里风区”“无人区”等区域，采用常规作业的方式完成铁路线路测量的难度大。经过调研，最终决定采用拓普康IP-S2 compact+车载移动测量系统采集并测量铁路沿线的地理基础信息，这也是笔者所在单位首次利用车载移动测量系统实施的铁路线路测量工程。

二、项目设计与车载设备改造

笔者所在单位根据项目的实际情况，与铁路局技术人员认真分析沿途线路的线路运行、环境保护、人员安全、沿线设施等方面的状况，组织相关技术人员研究项目各个环节的详细实施步骤，编制项目整体设计和实施方案，确保项目顺利开展。

1. 项目方案设计

项目方案设计以地籍测量相关规范为准，紧紧围绕铁路线路运行与三维激光扫描设备测量工作要求进行项目设计，主要包含以下两方面。

(1) GNSS基准站的站点设计与联测计划

为了配合拓普康三维激光扫描设备的正常工作，结合设备要求，需要在每个车站之间设置一个或两个GNSS基准站，每个GNSS基准站需与已有1980西安坐标的控制点联测，解算GNSS基准站的1980西安坐标，用来与三维激光扫描设备进行数据差分计算。火车行车停靠与出发时间间隔不超过50 min，为了保证差分解算的精度，各车站间距不宜超过30 km，火车行车速度不宜超过65 km/h。依据这些基本要素数据，笔者所在单位完成了项目整体方案的规划与设计，车站与GNSS基站点布设分布如图1所示。

(2) 铁路车辆运行与三维激光扫描工作实施

依据此次铁路线路测量的要求及政府部门的相关规定，本文将整体测量工作按铁路测量要求分为上行和下行两部分进行。总体时间安排为上行工程3 d，下行工程3 d，在甘肃省柳园县进行设备的整体调转。由铁路局制定车辆的行驶时间表，开行铁路测量专列，测量工作人员及配合人员均按行车时刻表进行工作任务的分配。

图1　车站与GNSS基站点布设分布图

2. 车载设备改造

由于拓普康车载移动测量系统常规承载平台为汽车，全国移动测量系统在火车上的应用都鲜有成功实施案例，因此为了保证设备在火车上的正常运行，各方技术人员就设备各部件的安装与调研进行了研究，解决了安装过程中的多项难题。

(1) 人员及操作室

采用“轨道车+平板车+集装箱”的方式来保障人员、设备等在行驶过程的安全与操作。将集装箱作为测量人员的操作室，集装箱加装固定钢绳。设备电源由轨道车进行不间断供电。此举可进一步保护测量人员在火车运行中的人身安全，提升整体作业舒适度。

(2) 设备的安装与调试

将拓普康车载移动三维激光扫描设备安装在平板车的尾部。依照铁路部门相关规定，电气化铁路上线车辆任何承载物体均不得超过车头高度，因此笔者所在单位根据集装箱的高度，采用CAD模块化定制一台钢架，将其固定在平板车尾部的木板上，钢架均使用螺丝与木板牢牢固定。顶部加装厚橡胶底，用于减少平板车对钢架及设备的震动。三维扫描设备的安装与调试如图2所示。

图2　数据处理流程

(3) 车轮编码器的安装与调试

拓普康车载移动测量系统包含两只车轮编码器，可进一步抵消车辆转向过程中的内外轮径差，用于对车辆行驶距离的量测，但依据铁路安全运行相关管理办法，火车车轮不能进行更换螺丝螺母和电焊作业，更不能随意更换部件。后经过现场充分讨论与研究，自行设计出适合火车车轮的相关部件，最终可使车轮编码器在不破坏原有火车车轮的情况下固定在车轮上，并保持车轮编码器与火车轮同心转动。

三、三维激光扫描数据采集与数据预处理

拓普康 IP-S2 compact+移动测量系统集成度非常高， 在采集过程中仅需通过使用一款采集软件即可对全部传感器状态实现实时监控，并可同步浏览实时采集成果。自动化后处理软件模块简单，无须过多人工操作，简单易学，轻松掌握。

1. 数据采集

使用拓普康移动测量系统配套数据采集软件只需要设定数据采集存储目录，检查设备各传感器运行状况，火车在较短时间行驶速度达到25 km/h后，完成车轮编码、惯导系统的初始化即可开始正常作业。在火车上进行扫描测量时，操作室内技术人员与火车司机进行实时对讲，以保证火车开行速度能够满足设备的工作要求。

2. 数据预处理流程

使用拓普康Geoclean Workstation进行项目数据的预处理，将扫描数据、惯导数据、照片数据、GNSS数据等进行数据差分解算、点云融色与输出、全景数据坐标赋值、点云数据转换与分类等方面工作。数据处理流程如图3所示，拓普康IP-S2 compact+真彩色三维激光点云成果如图4所示。

图3　数据处理流程

四、线划图DLG数据编绘与成果应用

兰新铁路新疆段各段点云数据量大、分类处理时间较长，获得的三维点云原始数据超过300 GB，三维全景数据超过400 GB。依据项目要求，主要将扫描数据中的铁路数据提取及编绘出来，以满足铁路线路地籍图与宗地图、面积计算与统计工作。

1. 点云DLG线划数据采集与编绘

采用PointTools软件进行点云数据的导入与DLG线划数据的绘制，用WALK软件进行DLG线划数据的符合性检查、地籍图与宗地图的制作、线路面积计算与统计等工作，如图5所示。

2. GIS数据更新与应用

利用笔者所在单位的测绘生产管理系统和WALK软件，将城镇地籍GIS库中乌鲁木齐地区的铁路线路数据进行更新，完善GIS数据库，如图6所示。

图4　拓普康IP-S2 compact+真彩色三维激光点云成果

图5　宗地图

图6　院二调城镇GIS数据库

五、车载移动测量系统的应用

此次使用拓普康移动测量系统在兰新铁路上的测图项目是车载移动测量系统的成功应用，进一步提升了移动测量系统在多种领域中的应用。除铁路测量外，移动测量系统的主要应用方向还有：

1) 工程测绘：基础地形测绘，断面图，边坡安全监测，土石方计算，坡度、坡向的计算，高分辨率的全景影像进行专业调查，地质判视等。

2) 基础地理信息的采集：快速获得城市全景影像及点云数据，在城市道路管理、高速公路资产管理、城市运输净空管理、城市部件调查等方面，将会大大提高工作效率。

3) 城市二三维GIS建设：快速获取的点云与全景影像不仅可以用于二维GIS数据数据采集与更新工作，而且可以构建三维虚拟场景、城市建模，方便进行城市规划、项目设计、实景旅游等工作。

4) 其他：城市全景、街景地图、公安警用实时全景数据应用，为城市规划、数字化城市、智慧城市等快速提供基础地理信息。

六、结束语

本次兰新铁路新疆段线路采用车载移动测量系统完成测绘项目，积累了三维激光扫描设备的操作使用、数据处理与分析、点云数据分类处理等新技术应用的经验，大大提高了工作效率，拓展了三维激光扫描设备在国土三维地籍、土地监察、数字城市、城市规划建设等方面应用，产生了良好的社会效益与经济效益。随着车载移动测量系统在更多不同行业的深入应用，测绘新装备、新技术的发展和应用将得到更多用户的接受和认同。

(本专栏由拓佳丰圣和本刊编辑部共同主办)