隋成龙
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摘要：为了将激光雷达技术应用到铁路全生命周期中，充分发挥激光雷达技术的优势，本文以徕卡公司相关激光雷达产品为例，系统分析了不同类型的激光雷达的特点和铁路工程不同阶段的测量要求，总结了激光技术在铁路全生命周期中的应用方法。通过典型工程应用分析表明，激光雷达技术可显著提高铁路工程测量的效率和质量，具有良好的应用前景。
关键词：铁路;?勘察设计;?测量;?空间信息;?激光雷达;
在铁路工程全生命周期中，测量工作作为最基础和最关键的环节之一，在铁路工程的勘察、设计、施工和运营管理等阶段均起到重要作用。随着高速铁路时代的来临，原有的许多铁路工程测量方法已不能适应高速铁路的发展。激光雷达技术又称实景复制技术，它通过激光扫描测量方法快速获取被测对象表面的三维坐标数据及其他关键信息。激光雷达技术以其突破了常规测量的单点采集模式，具有非接触、效率高等优势，为铁路工程测量提供了一种崭新的技术手段。
激光雷达按照载体的不同，可分为地面固定式、便携移动激光雷达、车载激光雷达、机载激光雷达等。徕卡公司作为全球领先的激光雷达设备制造商，拥有最全的激光雷达产品线，在地面、便携、车载和机载等方向上均有卓越的产品。本文结合徕卡公司的激光雷达产品，研究铁路工程不同阶段激光雷达技术能够解决的问题和应用方法，建立基于激光雷达技术的适应高速铁路发展的铁路工程测量新体系。
1 激光雷达技术
激光雷达技术采用激光器作为发射光源，是一种主动遥感设备。与常规摄影测量技术相比，激光雷达技术可以直接获取被测对象的三维坐标，可全天时进行作业。目前激光雷达技术已成为获取三维地理信息的主要途径，近年来广泛应用于国土、测绘、水利、电力、铁路、公路、矿产等行业，为国民经济建设和社会管理提供了极为重要的三维地理数据，取得了显著的经济和社会效益，应用前景广阔。
2 徕卡激光雷达产品体系
激光雷达按工作方式可分为脉冲激光雷达、相位激光雷达和单光子激光雷达;按照载体的不同，可分为地面固定式、便携移动式、车载和机载激光雷达等。徕卡公司是全球唯一同时拥有脉冲、相位和单光子激光雷达技术的公司，而且针对不同的载体均有一个或多个型号产品。表1是徕卡的相关激光雷达产品。
表1 徕卡激光雷达产品汇总
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从表1可以看出，徕卡公司的激光雷达产品线非常完整。从激光雷达产品总体市场占有率、技术先进性和用户声誉等方面综合评价，徕卡公司激光雷达产品处于全球领先地位。
3 工程应用
铁路工程作为典型的重大带状工程，由于跨度大、涉及范围广，从规划、勘察设计、施工到运营维护均离不开地理信息数据的支持。长期以来，铁路工程获取地理信息的手段主要依赖传统航空摄影测量和人工地面逐点测量方法。随着铁路建设的加快，对地理信息数据的要求越来越高，传统方法已难以适应。激光雷达技术具有高精度、高效率和直接获取三维信息等优势，特别适合铁路工程测量。
3.1 勘察阶段
为了选择、优化铁路方案，需要在勘察阶段获取铁路走廊带地形、地貌数据，并作为工程设计依据。传统方法是采用航空摄影测量技术，该技术主要存在受阴影和太阳高度角限制，并且无法准确获取植被下的地形信息。因此，目前该方法只能测绘1∶2000地形图，而无法准确获取铁路设计所需纵、横断面。徕卡Terrain Mapper、ALS和SPL100等机载激光雷达系统作为主动遥感系统，不依赖于可见光，可穿透植被，一次航飞获取数据后，既可生产高精度地形图，又可提取设计所需的纵、横断面，大大降低了勘察工作的劳动强度，显著提高了工作效率，缩短了勘察工期。
3.2 设计阶段
在铁路初步设计和施工图设计阶段，线位已基本选定，但由于种种原因，线位仍可能微调，设计方案也可能变更，如桥梁改路基、路基改隧道等，传统方法遇到这种情况，只能重新到现场补充勘察，费时费力。如果在勘察阶段采用机载激光雷达获取了数据，设计变更时，就可直接在内业进行地理信息提取，为设计提供资料和依据。
在隧道口、桥址等铁路重要工点和控制性工程的设计工作中，需要进行精细的工点地形测绘。目前，工点测绘通常采用GPS RTK、全站仪等技术人工实地测绘完成。地面三维激光扫描系统(徕卡Scan Station、RTC360等)不同于传统测量技术的单点定位方式，而是利用激光测量单元进行从左到右，从上到下的全自动高精度步进测量，进而得到完整、全面、连续的三维点云。通过内业对三维点云进行信息提取，可以高质、高效地完成工点测绘。该方法具有测量精度高、劳动强度低、安全系数高等优点，与GPS RTK、全站仪等技术相比具有明显的优势。
目前，BIM技术在铁路设计中方兴未艾，激光雷达技术实现了从数据采集到应用的全数字化过程，可为BIM设计提供三维真实地理环境，为BIM设计建立数据基础(如图1所示)。
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图1 徕卡ALS60机载激光雷达系统配合武襄十铁路BIM设计
3.3 施工阶段
在铁路隧道施工中，传统方法需要对施工过程中的隧道断面进行测量评估，同时对隧道掌子面进行清绘。采用地面激光雷达(徕卡Scan Station、RTC360)或便携式激光雷达(徕卡Pegasus:Backpack、BLK2GO)可以快速获取爆破后的隧道的三维信息，通过与设计图纸对比，可以快速、精确评估隧道开挖及施工状态。施工过程中，通过多期扫描还可以对隧道进行变形监测，从而评估隧道的稳定性。
在铁路BIM施工中，定期对工程进行扫描，记录隧道真实状态，三维存档，可以准确反映施工过程和进度，从而助力BIM技术在铁路施工中落地。
3.4 运营维护阶段
在铁路运营维护阶段，为了评估铁路轨道、接触网等设备设施的状态，需要进行既有线测量工作。传统既有线测量采用皮尺、水准仪和全站仪等设备人工上道完成。随着高铁建设加快和普速铁路不断提速，传统作业方法已经明显落后，难以适应新时代铁路运营复测要求。
车载激光雷达技术是将三维激光扫描系统(包括激光扫描仪、数码影像传感器及GPS/IMU系统)整体加装在交通运输平台上进行激光雷达扫描作业的主动式移动测量技术。该技术具有效率高、非接触、数据全息可回溯等优势，非常适合铁路既有线复测。
目前铁路应用车载激光雷达系统有两种方法，一种是以徕卡Pegasus:Two为代表的加装在汽车平台上的激光扫描系统，安装于铁路通勤车或轨检车的车厢尾端进行扫描作业。该方法在不影响铁路运营的情况下，实现既有铁路信息的精确获取，点云数据精度可达到2 cm，可满足铁路限界、普速铁路轨道线形测量、设备设施测量提取等工作。另一种是专门针对铁路精密测量研发的激光轨道车，徕卡公司的Si Track:one是目前最先进的激光轨道车。基于激光轨道车可以在每小时行进4 km，基于高铁的CPⅢ可实现优于3 mm的测量精度，一次扫描可同时满足工务、电务、机务等铁路运维管理部门的相关需求。
4 结论
随着铁路建设和运营维护向集约化、精细化和智能化方向发展，对铁路工程测量也提出了更高的要求。激光雷达以其载体灵活、应用方式多样、测量效率高等优势，将在未来的铁路工程测量中扮演越来越重要的角色。本文以徕卡公司相关激光雷达产品为例，根据铁路建设和运营维护各阶段的特点，提出了激光雷达技术在铁路全生命周期中的应用方法。通过典型工程应用表明，激光雷达技术可显著提高铁路工程测量的效率和质量，应用前景广阔。
参考文献
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