基于运动激光扫描技术的铁路隧道建筑空间数据采集与处理系统

ｏ ｏ ｌ ａｓ ｒｓ ａ ｉ ｅ ｈｎｏ ｏ ． ｎ ｍ ｂｉｅ ｌ ｅ — ｃ ｎｎ ｎｇ ｔ ｃ ｌ ｇｙ Ｔｈｅ ｗｈ ｅ ｓ ｓ ｅ ｓ ｒ ｔ ｅ ｗａ ｅ ｅ ｍ ｉ ｅ ｔ ｏｓｔｏｎ ｎｇ ｆ ｒｔ ｏｌ ｙ ｔ ｍ ｔ ｕｃ ｕｒ ｓ ｄ ｔ ｒ ｎ ｄ， ｈｅ ｐ ｉｉ ｉ ｏ ｈｅ ｓ ａ ｎｉ ｇ ｖ ｈｉｌ ｓ ｓ ｌ ｅ ｆ ｃ ｎ ｎ ｅ ｃ ｅ ｗａ ｏ ｖ ｄ， ｕｎｃ ｉ ｎａ ｅ ｉｅ ｎｔ ｏ ｈｅ ｖｅ ｃｅ ｃ ｒ ｉ ｄ ａ ｆ—ｉ ａ ａ ｐｒ ｃ ｓ ｉ ｇ ｔｏ ｌ ｒ ｑｕ ｒ ｍｅ ｓ ｆ ｒ ｔ ｈｉｌ～ ａ ｒｅ ｎｄ ｏ ｆｌｎｅ ｄ ｔ ｏ ｅ ｓｎ
．２ １ ． ２
地 铁 轨 道
线产生 １ 个 同步脉冲
图 ２
同步 标 记 文 件 生成
Ｆｉ ２ Ｓｙ ｈｒ ｎ ｕｓ ｍ ａ ｋ ｆ ｌ ｅ ｅ ａ ｉ ｎ ｇ． ｎｃ ｏ ｏ ｒ ｉｅ ｇ ｎ ｒ ｔｏ
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ｘｚ ｙ文本格式
ｆ ｆ ｒ ８
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刚 左 轮） ｛ ） 输雪 ） ） 蓦 出 脉 耄 冲 ：
车载数据处理
图 １ 系 统 功 能 框 图
Ｆｉ ．１ Ｂｌ ｃ ａ ｒ ｍ ｙ ｔ ｍ ｕ ｔ ｏ ｇ ｏ ｋ ｄｉ ｇ ａ ｏｆ ｓ ｓ ｅ ｆ ｎｃ ｉ ｎ
２ 车 载 数 据 处 理
激 光 扫描 仪 与外 部设 备 的 同 步 采 用 ＴＴＬ方 法， 即将 扫描镜 头 每旋转 一 圈输 出的一个 低 电平脉
３ 空 间 数 据 模 型
轴信 息 填人 空 缺 维 度 中 ， 终 形 成 完 整 的 ｛ ｙ， 最 ｘ，
Ｚ｝ 数据 ． 扫描 输 出数 据 转 换 为标 准格 式 ｘ ｚ 将 ｙ 文
描仪 旋 转 速 度 为 １ ０ Ｈｚ 则 最 大 截 面 间 隔 约 为 ０ ，
１ ４ｃ 以此类 推． ． ｍ， 车载 系统 应 用 了 ２个 旋转 编 码 器 分别测 定两 侧 车轮各 自的行 走距 离 ， 而推 算 出 从 车辆 行进 时 的运 动轨迹 ． 以下 的标记文 件 的格式 在 中 ， 出了相对 应 的每一 个 同步标 记两侧 轮子 的绝 列 对 行 走 位 置 Ｘ，和 Ｘ 以 及 相 对 行 走 距 离 Ｃ ， ，
第 ２ ６卷 第 ３期
２１ ０ ２年 ９月
上
海
工
程
技
术
大
学
学
报
Ｖｏ ． ６ ＮＯ ３ １２ ．
Ｓｅ ｔ ２ ２ ｐ ． ０１
Ｊ ＵＲ Ｏ ＮＡＬ ＯＦ Ｓ ＨＡＮＧＨＡＩ ＵＮＩ Ｒ Ｉ ＮＧＩ ＥＥ １ Ｃ ＥＮＣ ＶＥ Ｓ ＴＹ ＯＦ Ｅ Ｎ Ｒ ＮＧ Ｓ Ｉ Ｅ
色彩 度 ．
在 图 ３的 ｘ ｚ ｙ 数据 空间模 型 中 ， Ｚ轴 为分界 以 线将 一 个截 面 分 为右 半 截 面 （ ７ ５ ～９ 。 和 左 一２ ． 。 ０ ）
第 ３期
周 民 立 ， ： 于 运 动 激 光 扫 描 技 术 的 铁路 隧 道 建 筑 空 间 数 据 采 集 与 处 理 系 统 等 基
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔｈｅ ｄａ ａ ａ ｑ ｓｔｏｎ ａ ｒ ｅ ｓ ｎ ｏｒ ｒ ｉ ａ ｕ ｅ ｏｎ ｔ ｕ ｔｏｎ ｓ ｃ ｒ ｅ ｌｚ ｄ ｂａ ｅ ｓｒ ｃ ： ｔ ｃ ｕｉｉｉ ｎｄ ｐ ｏｃ ｓ ｉ ｇ ｆ ａ ｌ ｙ ｔ ｎｎ ｌｃ ｓ ｒ ｃ ｉ ｐａ ｅ ｗｅ ｅ ｒ ａ ｉ ｅ ｓ ｄ ｗ
文 章 编 号 ：１ ０ ０ ９—４ ４ ２ １ ） ３ ２ ９ ） ４ Ｘ（ ０ ２ ０ —０ １ 一（ ６
基 于 运 动 激 光 扫 描 技 术 的 铁 路 隧 道 建 筑 空 间数 据 采 集 与 处 理 系统
周 民立 ，李新 民
（ 海 工 程 技 术 大 学 城 市轨 道 交 通 学 院 ，上 海 ２ １ ２ ） 上 ０ ６ ０
根 据 国 内外 经 验 ， 用 三 维 （ Ｄ） 光 扫 描 技 利 ３ 激
术 对铁 路 轨道 沿线 的建 筑 结 构 与 设 施设 备 的 空 间
位 置 进 行 检 测 与 记 录 ， 用 于 限 界 检 测 ｌ 、 护 保 可 ＿ 维 １ ］
数据 拼接 处理 ， 于 长距 离 轨 道 线 路来 说 ， 场作 对 现
右半截面点
左 半 截 面 点
ｏ
ｇ ｇ ｇ ｇ
ｇ
蕊
．
ｙ
上半
ｌ 第１ ｊ Ｉ描 ｌ 扫 点 ０
０
；
０ 。
０
Ｌ
截面点１
ｒ １
右半截面点 左半截面点
≥缓 ℃
Ｌ描 １ １ 扫 点 Ｉ
ｉ
ｌ２ ｊ 第Ｊ１
业 的 自动 化程 度就 非常低 ， 而且分 辨率 和精度 随扫 描半 径长 度发 生变 化． 文 提出 的一种 运动激 光扫 本 描 系统 ， 扫描 仪 安 装 在轨 道 车 辆 上 ， 将 并将 其 设 置 成仅 对车 辆 行进 方 向 上 的 一个 垂 直 面 进 行 ２ Ｄ扫 描， 通过 对扫描 车 辆 行走 路 径 轨 迹 的 分析 ， 重建 这 段行走 路 径 的 ３ Ｄ数 字空 间数 据．
和 Ｃ， ．
本 便 于读 写 与 处理 ． ｙ 文 件 由许 多 行 组成 ， 行 ｘｚ 每
表 示 一 个扫 描 点 的 参 数 ， 行 的元 素 排 列 从 左 到 每 右为 ｛ ｏ Ｃ ｌｍｎ Ｘ， Ｚ， Ｇ， ， 中 ： Ｒ ｗ， ｏｕ ， Ｙ， Ｒ， Ｂ） 其 Ｘ， ｙ， Ｚ为 该元 素 的 空 间点 坐标 ； Ｇ， 为该 元 素 的 Ｒ， Ｂ
ｘ ｚ 件 中的缺失 维度形 成完 整 的 ３ 空 间数据 ． ｙ文 Ｄ
图如 图 １ 示 ． 所 按虚 线 框 分 为 ３部 分 ： １部 分 为 第
移动 激光 扫描 车 ， ３ 将 Ｄ激 光 扫 描仪 设 置 为仅 扫 描 与车 辆行 进方 向垂直 的 ２ 截 面扫 描模 式 ， Ｄ 检测 扫 描仪 在扫 描过 程 中产 生 的 同步信 号 ， 自动将 扫描 并
摘 要 ：基 于 运 动 激 光 扫 描 技 术 实 现 了对 铁 路 隧 道 建 筑 空 间 进 行 数 据 采 集 与 处 理 ． 定 了 整 体 数 确
据 系统 的 结构 ， 决 了扫描 车辆行 走路 径 的测 定 ， 析 了车载 与 线 下数 据 处 理部 分 的 功 能 需求 ， 解 分 并提 出 了两种将 运动 ２ Ｄ数 据 统一 转化 为 ３ Ｄ数 据 的计 算方 法．
Ｃ （） （） （） （） （），（） ｌ ＝ ２一 １ ２ ２＝ ２一 ｌ Ｙ１ Ｃ （） （）Ｘ （） Ｃ （） （） （） ｌ ＝ ３一 Ｉ ３ ２ ２ ＝ ３一 ２ ３ Ｃ （）Ｘ（） （） Ｃ （） （） （） １ ＝ １ 一 ３ ２ ＝ ４一 ３ ４ ４ ４
； ；
ｄ ｔ ｅ ｅ ｐｒ ｓ ｎ ｅ ． ａ ａ ｗ ｒ ｅ ｅ ｔ ｄ
Ｋｅ ｒ ： ｌ ｓ ｒ ｓ ａ ｉ ｙ ｗｏ ｄｓ ａ ｅ ｃ ｎｎ ｎｇ；ｒ ｉｗ ａ ｕｎｎ ｌ ｄ ｔ ｏ ｅ ｓｎｇ；ｐ ｏ ｉｅ ｓ ａ ｅ ａｌ ｙ ｔ ｅ ； ａ ａ ｐｒ ｃ ｓ ｉ ｒ ｆｌ ｐ ｃ
光 扫描 方式 是将 设 备 放 置 在 间 隔 点逐 站 扫 描 再 作
收 稿 日期 ：２ １ —０ ０ ２ ８～０ ７
基 金 项 目 ：上 海 市 科 委 地 方 院 校 能 力 建设 资 助 项 目（０ ２５ １０ ） １２ ０ ０ ８ ０ 作 者 简 介 ：周 民 立 （ ９３一） 男 ， 授 ， 士 ， 究 方 向 为 通信 与 信 息 处 理 ． — ｉ ｍｚ ｏ ０ ２ ＠ ｙｈ ｏ Ｃ ｒ．ｎ １５ ， 教 博 研 Ｅｍａｌ ｈ ｕ ９ ５ ａ ｏ． Ｏ ｃ ： ｎ
Ｃｏ ｓ ｒ ｃ ｉ ｎ Ｓ ｃ ｓ ｄ ｏ ｏ ｉｅ Ｌａ ｅ — ｃ ｎｎ ｎ ｃ ｏ ｏ ｙ ｎ ｔ ｕ ｔｏ ｐａ ｅ Ｂａ ｅ ｎ Ｍ ｂ ｌ ｓ ｒ Ｓ ａ ｉ ｇ Ｔｅ ｈｎ ｌ ｇ
ＺＨ ｏＵ ｉ ｉ，ＬＩＸ ｉ ｍ ｉ Ｍ ｎｌ ｎ ｎ
（ ｌｅ ｅ ｏ ｒ ａ ｉ ａ ｒ ｎ ｐ ｒ ａ ｉｎ ，Ｓｈ ｎ ａ ｎｉ ｅ ｓ ｔ ｆＥｎ ｉ ｅ ｒｎ ｉ ｎ ｅ Ｓｈ ｎ ｈａ ２ ） ６ ０，Ｃｈｉ ａ Ｃｏ ｌｇ ｆ Ｕ ｂ ｎ Ｒａ ｌ ｙ Ｔ ａ ｓ ｏ ｔ ｔ ｗ ｏ ａ ｇｈ ｉＵ ｖ ｒ ｉ ｏ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ Ｓｃｅ ｃ ， ｙ ａｇ ｉ （ ２ １ ｎ ）
ｓ — ｙ ｔ ｍ ｓｗ ｅ ｅ ｐ ｅ ｅ ｅ ａ ｗ ｏ ａ ｇ ｉｈ ｓｏｆｃ ｎｖ ｒ ｉ ｎ ｆ ｏ ｏ ｉ ｕｂ ｓ ｓ ｅ ｒ ｒ ｓ ｎｔ ｄ， ｎｄ ｔ ｌ ｏｒｔ ｍ ｏ ｅ ｓｏ ｒ ｍ ｍ ｖ ｎｇ ２Ｄ ａ ａ ｔ ｎｉｉ ｄ ３ ｓ ｔａ ｄ ｔ ｏ ｕ ｆｅ Ｄ ｐａ ｉ ｌ
同步标记文件格式 左轮行 走 距 离
０
右轮行 走距 离
０
冲作 为触 发 信 号 ， 于 对 瞬 时 车 辆 位 置 数 据 的标 用
定．由 于 在 隧 道 里 无 法 引 入 惯 性 导 航 测 量 单 元 （ＭＵ） 全球定 位 系统 （ Ｓ 的空 间定位 技术 ， Ｉ 与 ＧＰ ） 系
障管理 数据 库 － 、 字空 间地 图 以及 规 划发 展 ３数 ］ 等 ＿ ． Ｄ激光 扫 描技 术 除 了能 够 对 空 间物 体 形 状 ５３ ］
准 确地 进行 数 字复 制和 位置 判定 ， 具有 数据 采集 还
时对 背 景亮 度 没有 特殊 要 求 的特 点 ． 固定 式 ３ Ｄ激
上 海 工 程 技 术 大 学 学 报
第 ２ ６卷
数据 存入 Ｓ Ｄ卡供 线下数 据 处理 ； ２部 分为 实 时 第
１ 系 统 构 成
运 动 激 光扫 描 数 据采 集 与 处理 系 统 的功 能 框
车载 数据处 理 ， 通过连 续行 程检 测结合 标 准问 隔标 靶校 正获得 的车辆行 走轨迹 数 据 ， 扫描仪 同步 脉 与 冲绑 定形 成一个 标记 文本 输 出 ； ３ 分 为线下 数 第 部 据处 理 ， 扫 描 输 出数 据 转 换 为 标 准 格 式 ｘ ｚ 同 将 ｙ， 时从 标记 文本 中分 析车辆 行走 路径 轨迹数 据 ， 人 填
０≤ Ｃ】 ≤ ｌ ， Ｃ２ ６
统假 定轨 道面 为水 平 的 ， 车辆 在轨 道上移 动 的轨迹
只是 一 条在水 平 面上 随轨 道 弯 曲或 直ห้องสมุดไป่ตู้行 而 变化 的 曲线 ． 如 将一 个 扫 描周 期 的 螺旋 形 轨迹 近 似 为截 面 切 片形轨 迹 ， ２描 述 了对一个 弯 曲隧道 激光 扫描 图 所产 生 的扫描 截 面的示 意． 面 间隔 由车辆行 走速 截 度 和扫描 速度 来决 定 ， 如车 辆速 度为 ５ｋ ｈ 扫 例 ｍ／ 、 ２ Ｄ扫描 数 据 的空 间 属 性 仅 含 ｛ ｚ） 直 面 Ｘ， 垂 维 度 ， 下 数据 处 理 需 要 将 位 置 标 记 文 件 中 的 ｙ 线
｝ 右半截面点 ｌ 左半截面点
关 键 词 ： 光 扫 描 ； 铁 隧 道 ；数 据 处 理 ；截 面 空 间 激 地 中 图 分 类 号 ： ５ Ｐ２ ８ 文 献标 志码 ： Ａ
Ｄａ ａ Ａｃ ｉｉｉ ｎ ａ ｏ ｅ ｓｎｇ Ｓ ｓ ｅ ｆ Ｒａ ｌ ｙ Ｔｕ ｎ ｌ ｔ ｑｕ ｓ ｔｏ ｎｄ Ｐｒ ｃ ｓ ｉ ｙ ｔ ｍ ｏ ｉｗａ ｎ ｅ