一种移动式轨道交通三维数据获取方法及系统与流程

1.本发明属于轨道交通测量领域，具体涉及一种移动式轨道交通三维数据获取方法及系统。


背景技术：

2.轨道交通的轨道是整个轨道交通工程中最为重要的组成部分，轨道几何状态直接影响列车的安全平稳运营。轨道交通线路经过长期的运营维护，线路的地理空间位置会发生移动，轨道的几何形位会发生改变。随着高速铁路和城市轨道交通的发展，线路的检测需求越来越大，目前高铁和城市轨道交通检测需求主要包括轨道绝对坐标测量、线路限界检测、隧道结构断面检测、站台间距检测、接触网状态检测、轨距测量、超高测量、附属设备权属调查等。传统的检测方法是通过采用全站仪、道尺、全球卫星定位系统、激光测距仪等测量设备对各项检测内容进行逐一的检测，检测效率低、外业工作量大、数据处理繁琐、检测成本高。
3.目前，国内外对于轨道交通测量的方法除了上述传统方法以外，还研究出通过移动车载三维扫描系统进行检测的方法。车载移动激光扫描技术是指在移动载体上集成全球卫星导航系统(globalnavigationsatellitesystem，gnss)、惯性测量单元(inertialmeasureunit，imu)、激光扫描仪、数码相机、数码摄像机等多种传感器的综合测量检测技术。各类型传感器在移动状态下自动采集各种位置、姿态、影像和激光扫描数据，通过统一的地理参考和数据采集同步技术，实现无接触式的空间地理信息采集、处理与入库。但是自移动式轨道交通移动三维扫描系统存在以下问题：
4.1.自移动式轨道交通移动三维扫描系统的体积大、重量大、测量不灵活，携带不便捷，无法适应日常检测的需要，并且需要逐一对轨道交通的检测项目进行数据的采集；
5.2.在进行测量时，需要配合牵引车和平板车，其配合难度大，测量成本高；
6.3.车载三维扫描系统大多是国外生产的，只能通过购买引进，其相关的通讯接口、数据接口及软件开发接口均不开放，且该系统提供的软件功能单一，无法满足轨道交通的检测需求。
7.4.目前移动式轨道交通扫描平台无法实现竣工验收的测量，只能实现相对测量数据的采集。
8.因此，针对如今上线难、天窗少、安全风险高的轨道交通运营现状，亟需研发一种基于车载移动激光扫描技术，满足高效率、低成本要求，且能够同时完成多项检测工作的检测方法。


技术实现要素：

9.有鉴于此，本发明提出了一种移动式轨道交通三维数据获取方法及系统，用于解决目前现有移动扫描系统只能解算相对数据的问题。
10.本发明提出一种移动式轨道交通三维数据获取方法，所述方法包括：
11.获取通过移动轨道扫描车扫描轨道交通线路得到的点云数据；
12.通过移动轨道扫描车上扫描仪与小车的姿态和位置关系、小车与轨道的姿态和位置关系，确定不同坐标系之间的转换参数，利用转换参数将点云数据转换至轨道坐标系；
13.根据断面里程数据从点云数据中提取断面位置和对应的断面点云，并将断面点云与设计文件数据比较。
14.优选的，所述移动轨道扫描车通过沿轨道交通线路移动的小车上搭载的扫描仪扫描轨道交通线路的点云数据；
15.由扫描线的每一个点的距离和角度值计算单个扫描线中的点相对于扫描仪自身的坐标值；根据每个扫描线的扫描时间对应的里程及设计中线或惯导的姿态和位置数据，计算出所有扫描线的所有点在扫描仪坐标系中的位置。
16.优选的，所述利用转换参数将点云数据转换至轨道坐标系具体为：
17.根据扫描仪与小车的姿态和位置关系将扫描仪获取的点云数据转换至小车坐标系下；
18.根据小车与轨道的姿态和位置关系，将小车坐标系下的点云数据转换至轨道坐标系下，转换方程为：
[0019][0020][0021]
x、y、z是扫描点在小车坐标系下的坐标，x
′
、y
′
、z
′
是扫描点在轨道坐标系下的坐标，α1、β1、γ1是两个坐标系之间的旋转参数，δx、δy、δz是两个坐标系之间的平移参数，利用位置和姿态信息，将点云转换至轨道坐标系。
[0022]
优选的，所述利用转换参数将点云数据转换至轨道坐标系之后，还包括：
[0023]
使用r树及格网混合的空间索引管理海量隧道点云数据，将点云数据存储在硬盘上，处理点云时将索引信息调入内存中；
[0024]
处理点云时，采用基于网格面积的lod回溯构建方法进行点云数据调度和渲染。
[0025]
优选的，所述根据断面里程数据从点云数据中提取断面位置和对应的断面点云的具体方式包括：
[0026]
获取用户设置的断面的起始里程和结束里程、相邻断面的间隔，根据轨道坐标系下的点云数据，计算出每个断面的位置，从点云数据中截取对应的断面点云；
[0027]
将所有断面位置制作成里程文件，获取用户要提取的断面的里程，提取断面位置和对应的断面点云；
[0028]
根据激光雷达强度影像提取环缝位置，结合点云数据确定每环截取里程位置，提取断面位置和对应的断面点云。
[0029]
优选的，所述将断面点云与设计文件数据比较具体包括：
[0030]
当断面里程已知，根据设计文件计算出断面位置点的轨道中心线平面坐标x、y和高程z，以及断面位置点的设计中心线切线方位角a和坡度d，计算出裁剪面的方程为n
x
·
x+
ny·
y+nz·
z+d＝0，其中，
[0031]nx
＝cosa
[0032]
ny＝sina
[0033]nx
＝arctanl)
[0034]
d＝-(n
x
·
x+ny·
y+nz·
z)
[0035]
将对应位置的裁剪面的方程与提取出的断面点云进行比较，判断轨道线路的状况。
[0036]
本发明第二方面，公开一种移动式轨道交通三维数据获取系统，所述系统包括：
[0037]
数据获取模块：获取通过移动轨道扫描车扫描轨道交通线路得到的点云数据；
[0038]
坐标变换模块：通过移动轨道扫描车上扫描仪与小车的姿态和位置关系、小车与轨道的姿态和位置关系，确定不同坐标系之间的转换参数，利用转换参数将点云数据转换至轨道坐标系；
[0039]
数据比较模块：根据断面里程数据从点云数据中提取断面位置和对应的断面点云，并将断面点云与设计文件数据比较。
[0040]
本发明第三方面，公开一种电子设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器、通信接口和总线；
[0041]
其中，所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以实现本发明第一方面所述的方法。
[0042]
本发明第四方面，公开一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机实现本发明第一方面所述的方法。
[0043]
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
[0044]
1)本发明基于车载移动激光扫描技术进行轨道交通三维数据获取，代替传统架站式扫描，在天窗期可以提高工作效率、低成本，提供了多种断面点云数据提取方案，丰富了软件功能，获取的轨道交通三维点云数据能够实现一次扫描的同时完成多项检测工作。
[0045]
2)本发明通过对点云数据的坐标变换、断面提取能实现轨道交通数据的绝对位置的精确测量，相较于传统的仅能实现相对位置的测量方式，本发明可提供更加真实和全面的测量数据，减少测量误差；本发明根据设计文件计算断面方程并与从点云数据中的断面数据比对，根据数据比对结果可快速判断当前轨道交通线路的状态，可用于竣工验收等阶段。
附图说明
[0046]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0047]
图1为本发明的移动式轨道交通三维数据获取方法流程图；
[0048]
图2为移动轨道扫描车结构示意图；
[0049]
图3为地铁隧道场景下的扫描示意图。
具体实施方式
[0050]
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0051]
请参阅图1，本发明提出一种移动式轨道交通三维数据获取方法，所述方法包括：
[0052]
s1、获取通过移动轨道扫描车扫描轨道交通线路得到的点云数据；
[0053]
所述移动轨道扫描车通过沿轨道交通线路移动的小车上搭载的扫描仪扫描轨道交通线路的点云数据；
[0054]
请参阅图2，移动轨道扫描车结构示意图，移动轨道扫描车包括小车主控板、编码轮、与编码轮连接的2d激光传感器、三维激光扫描仪、推杆。上述轨道交通线路包括地铁、铁路、隧道等。
[0055]
首先进行采集参数设置，为保证采样覆盖率，同时兼顾效率，可设置移动轨道扫描车扫描系统相关参数如下：
[0056]
扫描频率为1000khz；扫描仪转速为100转/秒；编码器每转1000个脉冲；车辆行驶速率为3-4km/h。
[0057]
以地铁隧道中线路为例，请参阅图3，由扫描线的每一个点的距离和角度值计算单个扫描线中的点相对于扫描仪自身的坐标值。根据每个扫描线的扫描时间对应的里程及设计中线(或惯导的姿态和位置)数据，计算出所有扫描线的所有点在外部坐标系中的位置，最终得到扫描区域的点云数据。
[0058]
s2、通过移动轨道扫描车上扫描仪与小车的姿态和位置关系、小车与轨道的姿态和位置关系，确定不同坐标系之间的转换参数，利用转换参数将点云数据转换至轨道坐标系；
[0059]
预先标定扫描仪与小车的姿态和位置关系，根据扫描仪与小车的姿态和位置关系将扫描仪获取的点云数据转换至小车坐标系下：
[0060][0061]
根据小车与轨道的姿态和位置关系，将小车坐标系下的点云数据转换至轨道坐标系下，转换方程为：
[0062][0063][0064]
x、y、z是扫描点在小车坐标系下的坐标，x
′
、y
′
、z
′
是扫描点在轨道坐标系下的坐标，α1、β1、γ1是两个坐标系之间的旋转参数，δx、δy、δz是两个坐标系之间的平移参数，利用位置和姿态信息，将点云转换至轨道坐标系。
[0065]
隧道点云数据量巨大(每公里约30gb)，对后续的处理带来巨大的考验，为了满足普通pc机处理海量点云的需求，需要对隧道点云进行管理。主要包括以下几个方面的内容：
[0066]
因此本发明收件建立数据的空间索引，通过r树及格网混合的空间索引管理海量隧道点云数据，提高查询效率；将点云数据存储在硬盘上，通过数据的外存存储节省内存资源，提高内外存调度效率；采用多层次多分辨率结构，处理点云时将索引信息调入内存中。利用有限的内存资源保证点云的流畅浏览。
[0067]
处理点云时，采用基于网格面积的lod回溯构建方法进行点云数据调度和渲染。采用osg作为渲染引擎，实现隧道海量点云快速调度与可视化。
[0068]
s3、根据断面里程数据从点云数据中提取断面位置和对应的断面点云，并将断面点云与设计文件数据比较。
[0069]
具体的，根据断面里程数据从点云数据中提取断面位置和对应的断面点云有多重实现方式：
[0070]
第一种方式：获取用户设置的断面的起始里程和结束里程、相邻断面的间隔，根据轨道坐标系下的点云数据，计算出每个断面的位置，从点云数据中截取对应的断面点云；
[0071]
第二种方式：将所有断面位置制作成里程文件，获取用户要提取的断面的里程，提取断面位置和对应的断面点云；
[0072]
第三种方式：根据激光雷达强度影像提取环缝位置，结合点云数据确定每环截取里程位置，提取断面位置和对应的断面点云。
[0073]
断面位置和对应的断面点云数据之后，将断面点云与设计文件数据比较，具体包括：
[0074]
当断面里程已知，根据设计文件计算出断面位置点的轨道中心线平面坐标x、y和高程z，以及断面位置点的设计中心线切线方位角a和坡度d，计算出裁剪面的方程为n
x
·
x+ny·
y+nz·
z+d＝0，其中，
[0075]nx
＝cosa
[0076]
ny＝sina
[0077]nx
＝arctand
[0078]
d＝-(n
x
·
x+ny·
y+nz·
z)
[0079]
将对应位置的裁剪面的方程与提取出的断面点云进行比较，判断轨道线路的状况，从而判断轨道线路是否变形、是否符合竣工验收要求。
[0080]
与上述方法实施例相对应，本发明还公开一种移动式轨道交通三维数据获取系统，所述系统包括：
[0081]
数据获取模块：获取通过移动轨道扫描车扫描轨道交通线路得到的点云数据；
[0082]
坐标变换模块：通过移动轨道扫描车上扫描仪与小车的姿态和位置关系、小车与轨道的姿态和位置关系，确定不同坐标系之间的转换参数，利用转换参数将点云数据转换至轨道坐标系；
[0083]
数据比较模块：根据断面里程数据从点云数据中提取断面位置和对应的断面点云，并将断面点云与设计文件数据比较。
[0084]
以上系统实施例与方法实施例是对应的，系统实施例简述之处请参阅方法实施例即可。
[0085]
相比传统测量手段，本发明采用移动式扫描代替架站式扫描，在天窗期提高工作效率，减轻作业人员的工作负担，优化人员配置；可以提供三维模型，代替传统二维的成果展现，可以获取更加详细的数据资料，并且可以实现绝对位置测量，为竣工验收提供更加详实的数据材料。本发明通过对点云数据的坐标变换、断面提取能实现轨道交通数据的绝对位置的精确测量，相较于传统的仅能实现相对位置的测量方式，本发明可提供更加真实和全面的测量数据，减少测量误差；本发明根据设计文件计算断面方程并与从点云数据中的断面数据比对，根据数据比对结果可快速判断当前轨道交通线路的状态，可用于竣工验收等阶段。
[0086]
本发明还公开一种电子设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器、通信接口和总线；其中，所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以实现本发明前述的方法。
[0087]
本发明还公开一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机实现本发明实施例所述方法的全部或部分步骤。所述存储介质包括：u盘、移动硬盘、只议存储器rom、随机存取存储器ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0088]
以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以分布到多个网络单元上。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
[0089]
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。