本發(fā)明涉及鐵道工程，具體涉及一種基于三維激光掃描的鋼軌幾何尺寸檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

1、鋼軌的幾何尺寸對(duì)列車的行駛安全性和舒適性具有重要的影響，是列車高速行駛的重要基礎(chǔ)。鋼軌的幾何質(zhì)量包括鋼軌截面幾何尺寸、軌距鋼軌水平度。目前鋼軌水平間距與鋼軌之間的水平度的檢測(cè)方式主要是采用軌道尺，其檢測(cè)速度慢且檢測(cè)斷面是間斷的、離散的，在一定程度上可能會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)斷面的漏檢。此外，其具有較低的效率和較大的工作量等特點(diǎn)。鋼軌的截面參數(shù)由于在列車運(yùn)營(yíng)時(shí)產(chǎn)生的磨損或者是由于列車的撞擊會(huì)發(fā)生一定程度的改變，從而對(duì)列車的行駛速度和安全產(chǎn)生影響。因此，對(duì)鋼軌截面參數(shù)的檢測(cè)對(duì)列車安全行駛具有重要意義。

2、目前檢測(cè)鋼軌的方法主要是接觸式測(cè)量，即采用軌道尺與鋼軌接觸進(jìn)行測(cè)量。該方法測(cè)量精度較低，人工的勞動(dòng)量大，且效率較低，難以滿足現(xiàn)在鐵路規(guī)模高速擴(kuò)大、要求不斷提升的要求。目前三維激光掃描能夠快速的采集對(duì)象點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具有掃描區(qū)域廣、精度高和高效率等特點(diǎn)。因此，針對(duì)鋼軌幾何尺寸的檢測(cè)問(wèn)題，提出了基于三維激光掃描的鋼軌幾何尺寸檢測(cè)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于三維激光掃描的鋼軌幾何尺寸檢測(cè)方法，以解決現(xiàn)在檢測(cè)鋼軌存在的測(cè)量精度低，人工的勞動(dòng)量大，且效率較低的問(wèn)題。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

3、一種基于三維激光掃描的鋼軌幾何尺寸檢測(cè)方法，包括以下步驟：

4、s1：布置三維激光掃描儀和棱鏡球，利用三維激光掃描儀采集棱鏡球點(diǎn)云坐標(biāo)；

5、s2：建立設(shè)計(jì)坐標(biāo)系，以設(shè)計(jì)坐標(biāo)系下的棱鏡球坐標(biāo)為參考坐標(biāo)，對(duì)三維激光掃描儀采集的棱鏡球點(diǎn)云坐標(biāo)進(jìn)行配準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云坐標(biāo)與設(shè)計(jì)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換；

6、s3：采集鋼軌點(diǎn)云，對(duì)采集的鋼軌點(diǎn)云預(yù)處理，獲取在設(shè)計(jì)坐標(biāo)系下鋼軌的位置；

7、s4：提取鋼軌的技術(shù)特征，獲取鋼軌截面輪廓；

8、s5：建立bim鋼軌設(shè)計(jì)模型，測(cè)量獲取的鋼軌截面輪廓尺寸，以設(shè)計(jì)鋼軌截面尺寸為參考對(duì)實(shí)測(cè)鋼軌截面輪廓尺寸進(jìn)行檢測(cè)及糾偏。

9、相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于：

10、1、本發(fā)明采用了三維激光掃描技術(shù)，通過(guò)站點(diǎn)布置和棱鏡球布置采集軌道的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云坐標(biāo)系與設(shè)計(jì)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后點(diǎn)云經(jīng)過(guò)切片并提取出鋼軌輪廓數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌幾何參數(shù)的檢測(cè)，采用這種方式檢測(cè)鋼軌，三維激光掃描能夠快速采集大量高點(diǎn)云數(shù)據(jù)，相較于傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量方法，不僅能顯著提高測(cè)量速度，減小人工的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且通過(guò)采集大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以擬合出連續(xù)的高精度的鋼軌，使測(cè)得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度更高。

11、2、本發(fā)明通過(guò)建立鋼軌bim設(shè)計(jì)模型，將測(cè)得的實(shí)際參數(shù)和坐標(biāo)與設(shè)計(jì)參數(shù)做對(duì)比，不僅可以實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼軌各項(xiàng)幾何參數(shù)的檢測(cè)，還可以根據(jù)bim設(shè)計(jì)模型對(duì)鋼軌幾何參數(shù)進(jìn)行校正，能及時(shí)精準(zhǔn)的校正實(shí)際施工與設(shè)計(jì)間的偏差，確保鋼軌的幾何尺寸嚴(yán)格符合設(shè)計(jì)要求。

12、作為本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，步驟s1中，三維激光掃描儀發(fā)射的激光與目標(biāo)平面法線形成入射角α，α≤80°，三維激光掃描儀的測(cè)點(diǎn)間距為d的計(jì)算公式如下：

13、

14、式中，h為掃描儀與鋼軌的水平間距，l為三維激光掃描儀的離地高度；

15、棱鏡球至少布置三個(gè)，三個(gè)棱鏡球分別位于兩條鋼軌之間、兩條鋼軌的各自的外側(cè)。

16、有益效果：

17、由于鋼軌的分布特征和三維激光掃描儀的測(cè)量精度受三維激光掃描儀發(fā)射的激光入射角的影響，需要對(duì)三維激光掃描儀的測(cè)站進(jìn)行布置，以提高數(shù)據(jù)采集精度。當(dāng)三維激光掃描儀所發(fā)射出的激光與目標(biāo)平面法線所形成的入射角大于極限入射角以后，其測(cè)量精度會(huì)降低。本方案將極限入射角設(shè)為80°，并以小于等于極限入射角為條件進(jìn)行掃描儀的測(cè)站布置，可以保證所測(cè)區(qū)域的點(diǎn)云精度高，進(jìn)而保證所采集的鋼軌的分布特征更準(zhǔn)確。

18、由于棱鏡球是用對(duì)三維激光掃描儀采集的坐標(biāo)進(jìn)行配準(zhǔn)，為確保整個(gè)掃描區(qū)域的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度，本方案通過(guò)將三個(gè)棱鏡球分別布置在兩條鋼軌之間、兩條鋼軌的各自的外側(cè)，可以保證棱鏡球的位置分布在掃描區(qū)域的邊緣和內(nèi)部關(guān)鍵位置，進(jìn)而可以保證三維激光掃描儀在掃描區(qū)域采集的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，得到的鋼軌點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。

19、作為本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，步驟s2中，全站儀測(cè)出三個(gè)棱鏡球的坐標(biāo)分別為(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3)，三維激光掃描儀采集三個(gè)棱鏡球的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用最小二乘法擬合提取出棱鏡球的球心坐標(biāo)(x1‘,y1‘,z1‘),(x2‘,y2‘,z2‘),(x3‘,y3‘,z3‘)，以(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3)作為參考坐標(biāo)，構(gòu)造(x1‘,y1‘,z1‘),(x2‘,y2‘,z2‘),(x3‘,y3‘,z3‘)和(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3)的精準(zhǔn)同名點(diǎn)，以對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的最小距離為條件將(x1‘,y1‘,z1‘),(x2‘,y2‘,z2‘),(x3‘,y3‘,z3‘)轉(zhuǎn)換到設(shè)計(jì)坐標(biāo)系中，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云坐標(biāo)與設(shè)計(jì)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。

20、作為本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，步驟s3中，鋼軌點(diǎn)云預(yù)處理包括采用高斯濾波技術(shù)對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行降噪處理，采用柵格將點(diǎn)云分割成固定尺寸的塊狀點(diǎn)云，然后基于點(diǎn)云密度分割出鋼軌所在的柵格，得到鋼軌位置。

21、作為本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，柵格分割點(diǎn)云的過(guò)程包括將采集的鋼軌點(diǎn)云投影到xoy平面形成二維點(diǎn)云，將二維點(diǎn)云進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使鋼軌點(diǎn)云旋轉(zhuǎn)至與x軸平行，柵格將xoy平面分割成尺寸為d×d的塊狀點(diǎn)云，然后對(duì)每個(gè)x所在的y方向的每個(gè)柵格內(nèi)的點(diǎn)云進(jìn)行密度ρ計(jì)算，在每個(gè)x所在的y方向上密度最大的兩個(gè)柵格即為兩條鋼軌分別所在的柵格，最后將分割出的鋼軌所在的柵格組成一個(gè)集合，得到xoy平面上的鋼軌位置，密度ρ的計(jì)算公式：

22、

23、式中，f表示單個(gè)柵格內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)量，m為鋼軌截面低腳寬度。

24、作為本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，步驟s4中，鋼軌技術(shù)特征的提取過(guò)程包括將鋼軌點(diǎn)云沿其軸線切片，將切片后的微段鋼軌點(diǎn)云投影到y(tǒng)oz平面形成二維點(diǎn)云；在yoz平面提取出鋼軌截面邊線點(diǎn)云，然后對(duì)提取的邊線點(diǎn)云進(jìn)行聚類分割；采用最小二乘法對(duì)每條邊線點(diǎn)云進(jìn)行擬合得到邊線方程，將相鄰的邊線方程進(jìn)行聯(lián)合求解，得到鋼軌截面的控制點(diǎn)，根據(jù)控制點(diǎn)和邊線方程進(jìn)行鋼軌截面輪廓重建。

25、作為本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，切片厚度為δ，切片間距為鋼軌截面低腳寬度；聚類分割以鋼軌截面的直線和圓曲線的曲率不同作為邊線分割的標(biāo)準(zhǔn)，首先在微段鋼軌投影點(diǎn)云中隨機(jī)選擇一個(gè)點(diǎn)，在選擇該點(diǎn)周圍的b個(gè)點(diǎn)進(jìn)行最小二乘法擬合，當(dāng)擬合標(biāo)準(zhǔn)差大于0.001時(shí)，重新進(jìn)行點(diǎn)的選擇，直至擬合標(biāo)準(zhǔn)差滿足要求時(shí)，將該組點(diǎn)云進(jìn)行單獨(dú)儲(chǔ)存，然后重復(fù)進(jìn)行該步驟，直到截面全部點(diǎn)云都被單獨(dú)分組為止，從而得到每一條邊線的點(diǎn)云；

26、切片厚度δ計(jì)算公式如下：

27、

28、式中，b表示提取的點(diǎn)數(shù)，fi表示隨機(jī)提取的點(diǎn)云，r表示以fi為圓心的半徑，pi表示查詢范圍內(nèi)的點(diǎn)數(shù)，k表示經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，k的取值在3～5。

29、作為本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，步驟s5中，對(duì)鋼軌的檢測(cè)包括：

30、軌距檢測(cè)：通過(guò)形心計(jì)算公式求到的截面輪廓形心坐標(biāo)(x,y，z)，其中x坐標(biāo)為切片投影平面所在的x值，y值為截面輪廓對(duì)應(yīng)控制點(diǎn)的均值，z值由形心計(jì)算公式算得，形心計(jì)算公式如下：

31、

32、式中，n表示將鋼軌截面分割為n個(gè)部分，s表示每個(gè)分割部分的面積，z表示每個(gè)部分的形心到鋼軌低邊線之間的距離；

33、測(cè)量同一截面的兩條鋼軌的截面形心的水平間距為q，鋼軌上端寬度為p，進(jìn)而可算得實(shí)測(cè)軌距，將實(shí)測(cè)軌距與設(shè)計(jì)軌距之間的差值與規(guī)范進(jìn)行比較，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌軌距的檢測(cè)；

34、軌距l(xiāng)的計(jì)算公式如下：

35、l＝q-p

36、水平間距q的計(jì)算公式如下：

37、

38、式中，(xl,yl,zl)和(xr,yr,zr)分別表示左側(cè)鋼軌和右側(cè)鋼軌的形心坐標(biāo)；

39、水平度檢測(cè)：對(duì)于鋼軌的非超高段，將同一截面的兩條鋼軌的截面形心之間的高程差值與規(guī)范進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)非超高段的水平度檢測(cè)；對(duì)于超高段，將同一截面的兩條鋼軌的截面形心之間的夾角β與設(shè)計(jì)模型的夾角進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)超高段的水平度檢測(cè)；同一截面的兩條鋼軌的截面形心之間的夾角β計(jì)算公式如下：

40、

41、式中，zl表示左側(cè)鋼軌截面形心的z軸坐標(biāo)，zr表示右側(cè)鋼軌截面形心的z軸坐標(biāo)，q表示兩條鋼軌的截面形心的水平間距。

42、作為本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，步驟s5中，對(duì)鋼軌的糾偏包括：

43、軌距糾偏：在bim設(shè)計(jì)模型下的截面的形心坐標(biāo)為設(shè)計(jì)截面形心坐標(biāo)，點(diǎn)云模型坐標(biāo)系下的鋼軌形心坐標(biāo)為實(shí)測(cè)形心坐標(biāo)，以對(duì)應(yīng)鋼軌位置的設(shè)計(jì)截面形心坐標(biāo)(xb,yb,zb)為起點(diǎn)，實(shí)測(cè)形心坐標(biāo)(xs,ys,zs)為終點(diǎn)，得到每條鋼軌的糾偏量t；

44、糾偏量t的計(jì)算公式：

45、

46、水平度糾偏：以bim設(shè)計(jì)模型下的設(shè)計(jì)截面形心坐標(biāo)(xb,yb,zb)為起點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)形心坐標(biāo)(xs,ys,zs)為終點(diǎn)，設(shè)計(jì)截面形心與實(shí)測(cè)形心的高程差值c為鋼軌所需的糾偏量；

47、高程差值c的計(jì)算公式如下：

48、c＝zb-zs。