开辟轨道高分辨率激光雷达测量新时代——移动三维激光测量系统在轨道高精度测量中的应用

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如何让三维激光移动测量达到毫米级精度？

如何在十五个工作日内完成青藏铁路1200km轨道测量工作？

如何在单个“天窗”时间内完成多达5000环地铁隧道环片测量？

李清泉、毛庆洲、杨必胜研究团队推出的高精度移动三维激光测量系统轨道交通检测技术方案带来高精度轨道测量应用新思路。

1. rMMS轨道移动三维激光测量系统组成

针对我国轨道交通测量天窗时间短、精度要求高、成果要求全的特点自主研发完成了rMMS移动三维激光测量系统。该系统集成高精度激光扫描仪、工业全景相机、第四代激光惯导、GNSS、编码器等模块，配套针对轨道交通定制开发的外业和后处理解决方案，实现了高铁、普铁、地铁等环境的全覆盖，完全满足不同精度的轨道工程测量作业需求。系统整体外观如图1所示。

图1 rMMS移动三维激光测量系统

2. 轨道高精度三维测量数据获取

rMMS移动测量系统选用高精度第四代激光惯导，陀螺零偏稳定性≤0.01°/h，同时具备静态收敛、自动寻北等优点。rMMS系统不仅解决了铁路环境条件下惯导无法动态收敛的难题，而且在隧道等无GNSS或弱GNSS信号环境下能够基于惯导和里程编码器数据实现航位推算。此外，rMMS系统集成毫米精度和测量频率达到百万点每秒的高精度激光扫描仪，结合针对轨道交通环境设计的控制点标靶和新颖的点云质量增强方案，实现绝对精度优于5mm，相对精度优于1mm，轨道三维激光扫描场景如图2所示。

图2 高精度轨道三维激光扫描场景效果

3. rMMS高精度移动测量系统轨道交通应用

（1）南宁南广线（南宁-广州）竣工限界检测

工程要求：沿线线路修建完毕，利用高精度移动测量系统进行全线120km数据采集，并利用后处理工具进行沿线接触网、电气化杆、桥梁起始点、挡砟墙、站台起始点、信号机、通信设备、电力设备、车辆设备、道岔、隧道限界测量并输出成果报告。

工程方案：根据线路特点，选用了轨道手推车进行采集作业。

成果精度：限界检测精度≤3mm，里程精度≤0.2m。

图3 南广线三维激光扫描测量及点云成果

（2）青藏铁路电气化改造应用

工程要求：铁路电气化改造，利用高精度移动测量系统进行全线1200km数据采集，并利用后处理工具进行沿线轨道中线、路基桥梁隧道断面、隧道限界测量并输出成果报告。

工程方案：根据线路天窗时间特点，选用了轨道车进行采集作业，通过运营调度利用运营空白期实施数据采集，共耗费15个工作日完成全线数据采集。

成果精度：整体点云绝对精度5cm，满足轨道断面设计要求。

图4 青藏线三维激光扫描与内业数据生产

（3）地铁隧道检测应用

针对地铁隧道检测，自主研发的地铁隧道后处理平台，实现地铁隧道环片收敛、变形、错台、渗水、裂缝、侵限、掉块等检测成果快速测量，精度达到2毫米。

应用情况：目前已经完成武汉地铁2、3、4、6、7、8、11及南宁地铁3号线检测工作，并在北京、青岛、哈尔滨、长春、苏州、常州、厦门、南宁、南京、宁波等地铁进行工程验证，合计实施里程1000km以上，检测结果经人工复核100%满足要求。作业效率达到5000环/天窗，实现12小时输出成果。

图5 高精度地铁隧道三维点云与数据生产

4. 总结

(1) 团队研制rMMS轨道高精度数据采集系统，能够实现高速铁路、普速铁路以及地铁等多种场景下轨道全断面数据的高效高精度获取。经过多个铁路测量项目实践，系统整体方案成熟、性能稳定、精度可靠和实用性强。

(2) 团队提出通过激光扫描仪将CPⅢ控制网坐标动态传递到测量坐标系的方法，实现了点云数据的质量增强，极大地提高了点云数据的绝对精度。

(3) 团队自主研发的点云后处理平台可以实现客户需求定制开发，并针对铁路行业特点实现功能需求快速响应。

作者：李清泉([e-mail])、杨必胜([e-mail]) 、毛庆洲([e-mail])

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编辑 / 张胜威  审核 / 张胜威 孙丰家

指导：万剑华教授