背包式移动三维激光扫描系统在铁路勘测中的应用

王培峰

（中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430063）

1 引言

随着测绘装备和技术的快速发展，铁路勘测任务的作业效率、测量精度和成果质量显著提升，有效推动了铁路勘察设计向信息化、自动化和智能化方向发展［1］。当前铁路勘测已初步形成“空－天－地”一体化的数据测量与处理体系，能够完成地形、地貌、居民地、水系、交通、植被、重点设施等的空间位置和属性信息的采集和获取工作。在太空层，利用高分辨率卫星影像、卫星测量定位技术、合成孔径雷达干涉测量InSAR技术等获取对地观测数据［2－3］；在天空层，利用航空摄影测量、无人机倾斜摄影测量、机载激光雷达等方法获取丰富、全面的勘测数据［4－5］；在地表层，利用三维激光扫描、无人船、轨道测量车等技术采集精细、高精度的测量成果［6－7］。

综合利用当前的各种测量手段能够基本满足铁路勘察设计要求，然而在隧道、涵洞、矿坑以及树木遮挡严重等环境下，目前常用的新型测量手段往往无法覆盖到。采用传统测量手段（GNSS RTK、全站仪等）进行补充测量时，存在外业测量工作量大、作业周期长、测量点密度稀疏等问题［8－9］。因此，本文将探讨背包式移动三维激光扫描系统在铁路勘测中的应用，为铁路勘测提供新的测量手段，对现有铁路勘测体系进行有效补充，进一步提高铁路勘测效率和成果质量。

2 背包式移动三维激光扫描系统

背包式移动三维激光扫描系统是以3D SLAM（Simultaneous Localization and Mapping，同时定位与地图构建）技术为基础，集成三维激光扫描仪、惯性导航单元IMU等传感器可背负式的集成测量系统［10］。该系统能够在未知环境中对自身定位的同时，根据自身姿态以及从点云数据中匹配的环境特征实现对周围场景地图构建，从而快速采集得到三维地理信息数据［11－12］。

背包式移动三维激光扫描系统根据搭载的传感器类型和处理技术的不同，主要可以分为三种类型：（1）纯SLAM技术。无GNSS和IMU等定位定姿传感器，单纯依靠SLAM技术结合点云拼接算法，动态解算自身位置和姿态，最终得到三维场景点云数据。（2）SLAM＋IMU。纯SLAM技术的背包式移动三维激光扫描系统在场景纹理单一、特征点少的环境下精度较低，使用SLAM技术结合IMU的姿态信息对点云数据进行匹配拼接，可以有效提高整体点云的定位精度。（3）SLAM＋GNSS＋IMU。该类型的背包式移动三维激光扫描系统在室外开阔地段有GNSS信号时进行组合定位解算，在室内、隧道、地下空间等无GNSS信号时利用SLAM技术结合IMU数据进行解算，增强了适用性。

当前背包式移动三维激光扫描系统的相对定位精度在2～3 cm，绝对定位精度5 cm左右，能够满足很多铁路勘测任务的精度要求。背包式移动三维激光扫描系统可由人员背负实施测量，且不依赖GNSS定位信息，可以快速高效地采集目标对象密集的三维点云数据。在室内、隧道、地下空间等无GNSS信号等场景下，利用背包式移动三维激光扫描测量相比传统测量手段具有以下优势：

（1）无需设站，人工背负行走测量，仅需1人，操作简便，测量效率高，可快速获得高精度点云数据。

（2）内业处理计算自动化程度高，可快速获得密集的点云数据，高效提取地物特征点坐标；而传统方法测点稀疏、测量效率低。

（3）环境适应性强，特别适用于室内、隧道、地下空间等无GNSS信号等复杂环境的测量工作。

3 测量实施方案

基于背包式移动三维激光扫描系统的铁路勘测工作包括外业数据采集和内业数据生产两个部分，具体测量流程如图1所示。

图1 基于背包式移动三维激光扫描系统的勘测流程

（1）测区划分：按照测量任务要求，根据现有测量设备数量、设备续航能力、人员等情况对测区进行合理划分，规划安排好每个测区的测量区域范围、测量时间、设备和人员。

（2）路线规划：利用遥感影像、在线地图并结合现场踏勘情况，规划移动测量路线，以尽量短的行程完成测区测量，同时保证待测对象能够完整被采集到，避免返工。

（3）控制点布设与测量：根据测区空间分布以及测量路线在合适位置布设一定数量的控制点，并采集测量控制点的三维坐标。

（4）外业数据采集：按照制定的路线利用背包式移动三维激光扫描系统进行点云数据采集，采集过程对地物尽量覆盖全面，对于重点设施可进行局部细致采集。

（5）数据拼接：利用SLAM算法对原始坐标测量数据和惯性导航测量数据等进行处理，再利用点云拼接算法处理得到测区点云数据。

（6）坐标转换：在拼接后的点云数据中标选控制点位置并输入实际三维坐标后进行点云数据整体坐标变换，转换到实际工程坐标系中。

（7）精度校核：在坐标转换后的点云数据中量测检查点的坐标，与实测的检查点坐标进行精度校核，坐标偏差在精度要求范围内才可进行后续制图，否则检查数据重新处理。

（8）点云测图：将处理完成的点云数据导入到制图软件中，根据测量任务需求对地物按规范要求进行制图。

（9）成果检查与提交：对制图成果进行质量检查，合格后提交测量成果。

4 铁路勘测中的应用

背包式移动三维激光扫描系统具有操作简单、作业效率高、成果精度高、环境适应性强的优点，仅需1人便可完成外业数据采集，作业效率是常规测量手段的3～5倍，为铁路勘测提供了一种新的测量技术手段，具有良好的应用前景，本文选取部分典型应用进行介绍。

4.1 地形测量

地形图是铁路线路设计的基础资料，一般需要制作1∶2 000地形图和1∶500工点图，常规测量方法采用航空摄影测量制图、机载激光扫描制图等方法完成大面积的地形图制图工作。当遇到线路调线后，需要小范围补测或者被遮挡区域补测等任务时，背包式移动三维激光扫描系统作业灵活，不受天气条件限制，可随时作业，能够快速完成地形采集。采集完成后进行数据预处理，最后导入测图软件中进行制图（见图2a），按规范要求生成DLG数字线划图等成果（见图2b）。背包式移动三维激光扫描系统定位精度在5 cm左右，基本可以满足1∶2 000地形图和1∶500工点图的精度要求。

图2 地形测量

4.2 断面测量

铁路横断面测量的目的是测定线路中桩处垂直于中线方向的地形起伏状况，用于线路、路基的设计以及土石方量计算。由于铁路线路长，断面数量众多，传统使用人工RTK测量方式效率低、任务繁重，从航空摄影立体像对中量测只能人工逐个绘制无法批量处理，基于机载激光雷达测量可以快速批量生产断面，但在树木茂密区域遮挡严重、精度低。基于背包式移动三维激光扫描系统可以有效弥补机载激光雷达测量的盲区，从而全覆盖、快速、高精度完成断面测量。基于背包式移动三维激光扫描系统采集得到的点云数据，按照设计线路在中桩位置提取对应的断面点云（见图3a），自动化对断面点云进行分类处理提取地面点云数据（见图3c），最后基于地面点云生成断面成果（见图3b）。

图3 横断面测量

4.3 房屋拆迁调查

房屋拆迁调查是铁路勘察设计的一项重要内容，房屋面积测量的准确性对拆迁赔偿、工程投资等有较大影响。传统的房屋拆迁调查需要测量人员结合航空影像在现场对房屋进行逐一测量统计并登记，这种测量方式效率低、外业工作量大。当前也有利用无人机倾斜摄影测量方式进行房屋面积测量，这种方式成本高、易受遮挡导致盲区较多。基于背包式移动三维激光扫描系统可以沿着房屋周围移动测量，快速获取房屋的三维点云数据，经过分类处理后提取房屋层点云数据（见图4a），然后按照制图要求基于点云数据进行房屋DLG绘制（见图4b），同时也能从点云中测量房屋高度、层数等信息（见图4c）。

图4 房屋测量

4.4 桥墩测量

高架桥桥墩的位置和高度影响着铁路线路的设计，由于桥墩被桥面所遮挡，基于机载的测量手段无法有效对桥墩进行测量，同时还有些高架桥净空高度低、桥下环境复杂，利用小型无人机测量的方法作业困难；同时桥下无GNSS信号，桥墩测量一般采用传统的全站仪测量方式，测量工作量大、作业时间长。采用基于背包式移动三维激光扫描系统的测量手段，无需GNSS信号可以在桥下快速扫描得到桥墩的三维点云场景数据（见图5a），可以从点云场景中获取桥墩高度等信息，然后用水平切面工具提取桥墩截面点云数据（见图5b），最后绘制DLG成果图（见图5c）。

图5 桥墩测量

4.5 涵洞丈量

在铁路勘测过程中需要对涵洞的位置、净空高度等信息进行采集，而涵洞在航测数据中通常被坡体遮挡，一般采用全站仪现场测量，作业效率较低。利用背包式移动三维激光扫描系统可以一次采集涵洞外部以及内部的三维点云数据（见图6a），在制图软件中导入涵洞场景的点云完成DLG成果图（见图6b），利用断面工具生成涵洞断面点云，然后基于断面点云绘制涵洞断面成果图（见图6c），量测涵洞的长、宽、高等数据。

图6 涵洞丈量

4.6 高压塔线测量

在铁路勘测工作中高压塔线测量需要完成电塔位置、高程、塔线高度等测量工作。使用背包式移动三维激光扫描系统在扫描测量地形和断面时可以同步采集得到高压塔线的点云数据。从点云数据中截取生成高压塔线的横截面数据（见图7a），根据断面点云直接测量电塔高程、塔高、线高等数据。另外，从俯视图点云中可以直接进行电塔DLG制图，获得电塔位置、线路走向等信息（见图7b）。

图7 高压塔线测量

5 工程应用

沪渝蓉高铁合肥至武汉段（合武高铁）线路全长352.857 km，其中湖北段新建正线长160.302 km。在合武高铁湖北段的勘测工作中，为适应铁路勘察设计对三维数字化勘测成果的需求，综合使用激光雷达、倾斜摄影、GNSS等新兴测绘技术快速获取大范围三维空间数据，通过计算机自动化或半自动化提取三维空间数据中的相关特征信息，快速生成计算机可识别的数字化勘测产品，为铁路二维、三维和BIM设计提供勘测数据服务。

为填补航空摄影测量和机载激光雷达测量的盲区以及进一步提高勘测的效率和信息化水平，在合武高铁湖北段开展了基于背包式移动三维激光扫描系统测量实验及应用，用于线路断面测量、房屋拆迁调查、桥涵测量等工作。为了验证基于背包式移动三维激光扫描系统测量的精度，同常规GNSS RTK、全站仪等测量方法对部分测量成果进行精度比较验证，统计结果如表1所示。

表1 精度验证

从表1可以看出，背包式移动三维激光扫描系统的测量精度能够满足铁路勘察中对于横断面测量、房屋拆迁调查、桥墩测量等任务的精度要求，可以对常规外业作业时间长、测量繁琐的测量方法进行有效地更新替代，能够更加高效率地完成相关的铁路勘测任务。

6 结束语

随着铁路勘察设计向着自动化、智能化的方向发展，铁路勘察测量工作已经初步构建完成了“空－天－地”一体化的数据采集体系。背包式移动三维激光扫描系统作为一种新兴的测绘手段，能够对现有测量方法进行有效补充。本文结合地形测量、断面测量、房屋拆迁调查、桥墩测量、涵洞丈量等勘测任务介绍了背包式移动三维激光扫描系统在铁路勘测中的应用，并在合武高铁湖北段进行精度验证，证明了该方法的有效性，具有广阔的应用前景。