全站儀在（zài）鐵路隧道建築限界檢測中（zhōng）的應用（yòng）開發（fā）

全站儀在鐵路隧道建築限界檢測中的應用開發

更新時間：2021-04-10 17:51

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一切建(構)築物、設備，均不得侵入鐵路建築（zhù）限界。因此，在鐵路工程建設期和運營期進行鐵路限界檢測都是一項重（chóng）要工作，尤（yóu）其是隧道工程。

徠卡新推出的高精度MS50全站掃描儀可以快速（sù）高效地獲取反映隧道現狀的密集點雲（yún），為限（xiàn）界（jiè）檢測提供了一個全新的技術手段。本文擬結（jié）合實際工程應用，係（xì）統研究檢測方法（fǎ）及其數據處理過程，並運用VC++語言，結（jié）合MFC框架、PCL庫、VTK庫（kù）等編製通用數據處理軟件，實現（xiàn）限界檢測功能。

一、MS50全站掃描儀技術優（yōu）勢

１. MS50與三維激光（guāng）掃（sǎo）描（miáo）儀的區別

常見的三（sān）維激（jī）光掃描儀常采用以儀器中心（xīn）為原點的任（rèn）意三維（wéi）空間直角坐標（biāo）係（xì），它是通過測量儀器中心至（zhì）目標點的（de）斜距，再結合儀（yí）器水平和（hé）垂直旋轉角度計算出測點三維坐標（biāo）。

MS50全站掃描（miáo）儀提供了一個功能全麵的解決方案（àn），集成了高精度（dù）全站（zhàn）儀（yí）技（jì）術（shù）和（hé）高速三維掃（sǎo）描技術（shù）。它直接采用大地測量三維空間直角坐標係。

這一根本性的變化使得測量外業更簡單，成果更真實。如使（shǐ）用普通三維激光掃描儀必須在測站之間布設拚接（jiē）靶球或人工標誌（zhì），測站拚接將（jiāng）帶來（lái）精度損失。在筆者的工作實踐（jiàn）中也曾發生過因拚接位置設置不合理導致最終失敗的（de）案例。而徠卡MS50全站掃描儀（yí）解決了（le）這（zhè）個問題，完成設站和定向後即可開始掃描，各（gè）測站基準統一，檢測點雲（yún）無需拚接，測量坐標真實可靠。

２. MS50適應隧道工（gōng）程檢測的優勢

隧道施工以施工（gōng）控製網為基準開展各項工作，施工控製網包括平麵坐標和高程（chéng）。一（yī）般鐵路工程隧（suì）道洞內導線點間距約200m，隧道中線（xiàn）樁約100m。

普通三維激光（guāng）掃描儀受自身測程和精度限製，若不加密控製網難以快速（sù）開展工作，而MS50全站（zhàn）掃（sǎo）描儀采用（yòng）源自航天的WFD激光測距技術，測（cè）程（chéng）長達2000m，測量精度在100m處高達0.8mm。

MS50按全站儀方式設站和掃（sǎo）描，有利於現場測量人（rén）員熟練使用，采用後方交會方式一步完成三維（wéi）設站，工作方式以施（shī）工控製（zhì）網為基準，完全適應線性隧道工程測量任務，精度無損失。

３. MS50掃描測量方法

三（sān）維激光掃描儀一般按等角間隔進行掃描，因此距離掃描儀越遠點位密度越小。為（wéi）保證隧道檢測點雲分布均勻，測量時采用對向掃描方式(如圖１所示)。

二、數據處理關鍵技術

1. PCL點雲庫

PCL（Point Cloud Library）完全（quán）是一個的模塊化的現代C++模板庫。其基（jī）於以下第三方庫：Boost、Eigen、FLANN、VTK、CUDA、OpenNI、Qhull，實現點雲相關的獲取、濾波、分割、配準（zhǔn）、檢索、特征提取、識別、追蹤（zōng）、曲麵重建、可視化等。

PCL采（cǎi）用BSD授權方（fāng）式，可以免費進行商（shāng）業和學術（shù）應用，有利於科研人員進行學術研究。但是在國內應用PCL的（de）人還不多，同時PCL庫構架又十分複（fù）雜，初學者或開發研（yán）究（jiū）往往需要參閱大量文獻。

2. 處理流程（chéng）

導入點雲->格式轉換->設置參數->斷麵提取->限界分析->輸出成果。

3. 格式轉換

徠卡MS50測（cè）量數據導入廠家Infinity軟件中查看，導出PTS格式後提取前三個字段（即ENH）形成PCD文件（jiàn）。

4.坐標係（xì）定義

通過點雲數據分析隧（suì）道限界涉及到不同三維空間直角坐標（biāo）係定（dìng）義及其轉換關係，現明確如（rú）下：

1）MS50全站掃描儀采用左手坐標係（簡稱測量坐標係），點位（wèi）坐標表示為N/E/H。PCL庫采用右（yòu）手坐標係（xì）（簡稱數學坐標係），點位坐標表示為X/Y/Z。對應關係：N=Y、E=X、H=Z。

2）隧道限（xiàn）界分析時采用右手坐標（biāo）係（簡（jiǎn）稱數學坐（zuò）標係），以左線中心（xīn）內軌麵為原點，橫軸指向右側（X軸），豎軸（zhóu）向（xiàng）上（Z軸），Y軸指向大裏程方向。

5.斷麵提取算（suàn）法

PCL v1.6庫原生clipper()平麵截取（qǔ）函數（shù）存在錯誤，改造後實現了通過兩次平麵截取來（lái）提取（qǔ）斷麵點雲（yún）的功能（兩平麵之間距離稱為斷（duàn）麵厚度[3]）。

平麵方程采用A·X + B·Y + C·Z + D = 0表（biǎo）達式，其係數組成法（fǎ）向量表示平麵空（kōng）間狀態。二次平麵截取過（guò）程分析：第一次平麵截取將點雲分成去除和留下兩部分，在留下的點雲（yún）中進行第二次平麵截取，提取出的斷（duàn）麵點（diǎn）雲先平移再旋轉，然後才能在二維平麵（miàn）限界分析。關鍵代碼如下（xià）：

// 斷麵提取

Eigen::Vector4f vL,vR;

double dCK = LeftLine.ConK( dkCal );

double dKL = dCK - dRange - dSeg;

double dKR = dCK + dRange + dSeg;

oPt = LeftLine.GetV_XYZ( dKL );

vL <<oPt.A,oPt.B,oPt.C,oPt.D;

oPt = LeftLine.GetV_XYZ( dKR );

vR <<oPt.A,oPt.B,oPt.C,oPt.D;

ts::CrsClipper3D<pcl::PointXYZ>clipper(vL);

clipper.setPlaneParameters (vR);

// 平麵投影

pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>cld_proj;

pcl::ProjectInliers<pcl::PointXYZ>proj;

proj.setModelType(pcl::SACMODEL_PLANE);

proj.setInputCloud(cld.makeShared());

proj.setModelpTo( plane2d );

proj.filter( cld_proj );

// 點雲平移

float R1 = 0;

pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>cld_T;

Eigen::Affine3f T =Affine3f::Identity();

T.translation()<<-O.Y,-O.X,-O.H;

T.rotate(AngleAxisf(R1,Vector3f::UnitZ()));

pcl::transformPointCloud(cld_proj,cld_T, T);

// 點雲旋轉

float R2 = 2 * M_PI - O.dA + M_PI / 2;

Eigen::Affine3f R =Affine3f::Identity();

R.translation() << 0, 0, 0;

R.rotate(AngleAxisf(R2,Vector3f::UnitZ()));

pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>cld_R;

pcl::TformPointCloud(cld_T, cld_R, R);

６. 限界分（fèn）析算法

鐵路隧道限界測量是絕對（duì）位置測量，必須以施工控製網和隧道設計為（wéi）基準進行分（fèn）析。參數包括:斷鏈表、曲線表、坡度表（biǎo）、豎曲線表、線間距表、隧道斷

麵尺寸（cùn）、類（lèi）型及其分布裏程、隧道限界輪（lún）廓等。

限（xiàn）界分析就是要計算（suàn）出檢測點到限界的最小（xiǎo）距離。基（jī）本思（sī）路是:先計算限界中心至檢測點（diǎn）方位，初步判定對應（yīng）限界邊，若能確定投影坐標則兩點距離差即為檢（jiǎn）測偏（piān）差，否則向相鄰邊界擴展，仍不能確定投（tóu）影坐標時則取邊界角點為投影點計算偏差。

三、工程（chéng）應用案例

渝黔鐵路（lù）擴能改造工程作為中國“十二五”綜合交通運輸體係規劃重（chóng）點項目設計建設標準為國鐵Ⅰ級雙線電氣化鐵路，設計時（shí）速200km/h。隧道建築限（xiàn）界執行«鐵路技術管理（lǐ）規程»KH-200客貨共線技術標準。

«鐵路技術管理規程»規定的隧（suì）道限界均按照單線直（zhí）線段定義，在曲線段應按規定進行加寬，在雙線時（shí）還應考慮線間距。

應用本文方法共檢測隧道15座，總長度超過10km，按每1ｍ一個斷麵（miàn）進行分（fèn）析(斷麵厚度為5cm)。斷麵透視效果如圖２所（suǒ）示，某斷麵限界分析如圖3所示。