國產(chǎn)測繪技術(shù)及交通設(shè)施數(shù)字化應(yīng)用

r1國產(chǎn)測繪級(jí)激光雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)

及交通設(shè)施數(shù)字化應(yīng)用1研究背景r2扣件松脫導(dǎo)致列車脫軌香港高鐵因軌道變形脫軌4

鐵路：軌道板離縫、鋼軌磨耗、扣件失效等影響行車安全4

隧道：襯砌掉塊、透水、侵界、錯(cuò)臺(tái)、結(jié)構(gòu)變形等引發(fā)重大安全事故4

公路：高速公路\機(jī)場跑道等路面坑槽、破損等影響出行安全結(jié)構(gòu)形面“狀態(tài)測量”是基礎(chǔ)設(shè)施安全運(yùn)維的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施“結(jié)構(gòu)形狀和表面變化”是眾多安全事故的直接原因1.1研究背景-基礎(chǔ)設(shè)施安全運(yùn)維是國家重大需求P31mm刻槽0.3mm裂縫空間分布廣泛、

環(huán)境惡劣觀測時(shí)間受限、

精度高結(jié)構(gòu)尺度多變、

形狀復(fù)雜1.1研究背景-結(jié)構(gòu)形面狀態(tài)測量現(xiàn)狀與難題高效、高精度測量技術(shù)是大范圍基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)測量的亟需我國基礎(chǔ)設(shè)施正從大規(guī)模建設(shè)向精細(xì)化養(yǎng)護(hù)轉(zhuǎn)變指標(biāo)測精難狀態(tài)判準(zhǔn)難普查測全難扣件

0.2mm效率低精度差P4高鐵全斷面測量地鐵隧道精密測量道岔結(jié)構(gòu)檢測公路隧道檢測大機(jī)搗固清篩測量1.1主要?jiǎng)?chuàng)新思路發(fā)展融合高分影像和點(diǎn)云的交通基礎(chǔ)設(shè)施病害分析與提取方法小波分析隧道環(huán)片點(diǎn)云去噪融合點(diǎn)云灰度\深度圖、

高分圖像的病害定位及精準(zhǔn)識(shí)別發(fā)明高精度脈沖-相位混合式激光掃描裝置?

高信噪比高速率數(shù)字化波形高精度高重頻測距?

點(diǎn)頻150萬HZ、

高精度（0.5mm）公路、

隧道、

鐵路、

機(jī)場等交通基礎(chǔ)設(shè)施高精度檢測測量裝備研制技術(shù)突破快速、

精準(zhǔn)、

智能的系列自主測量系列裝備方法創(chuàng)新工程應(yīng)用P52高精度激光雷達(dá)技術(shù)r62.激光雷達(dá)測距原理及方法n

三角法測距ü

測距精度可達(dá)到“m級(jí)ü

系統(tǒng)簡單

，成本較低p

測量距離很近

，精度與測程互相制約n

相位式激光雷達(dá)ü

測距精度高

，為

mm級(jí)到亞mm級(jí)p

測量距離近p

系統(tǒng)較復(fù)雜ü

系統(tǒng)簡單

，易小型化p

測距精度較低

，為cm級(jí)到mm級(jí)n

脈沖式激光雷達(dá)(dTOF)ü

測量距離遠(yuǎn)n

脈沖式單光子激光雷達(dá)ü

測量距離很遠(yuǎn)測距噪點(diǎn)多測量速度慢p

pP72.全波形激光雷達(dá)技術(shù)l

數(shù)據(jù)量高達(dá)50Gbits

，

由FPGA強(qiáng)大的在線處理能力

，

實(shí)時(shí)解算種子光和回波的時(shí)間間隔

，

實(shí)現(xiàn)高精度

測距、

多回波檢測、

獲得目標(biāo)物反射率等需求。關(guān)鍵點(diǎn)：

處理算法的優(yōu)化及其FPGA實(shí)現(xiàn)?

波形數(shù)字化方法——高速ADC采樣技術(shù)及FPGA在線處理技術(shù)n

激光發(fā)射和回波波形D

=

cΔtn

波形數(shù)字化l

高速處理能力每個(gè)探測到的回波都需要進(jìn)行處理

，對(duì)算法效率提出很高要求l

波形分解常見的波形分解算法有EM、

LM算法EM算法

：將波形視為概率密度函數(shù)

，通過求解波形占比進(jìn)而求解每個(gè)子波形的參數(shù)；LM算法

：利用非線性最小二乘法求解多個(gè)

波形參數(shù)2.全波形激光雷達(dá)技術(shù)P9波形分解需要迭代

，耗時(shí)較長

，對(duì)波形形態(tài)要求較高

，且回波間隔小于1倍FWHM將無法分辨是否有多個(gè)波形；

小于1.5倍FWHM測距偏差較大；

大于2倍FWHM波形已基本分離可將重疊波形分解出數(shù)個(gè)子波形

，獲得更多測距值?

高精度測距——多回波技術(shù)LMEM插值后等效采樣頻率/GHz原始5GHz數(shù)據(jù)測距標(biāo)準(zhǔn)差/mm原始2.5GHz數(shù)據(jù)測距標(biāo)準(zhǔn)差/mm原始1.25GHz數(shù)據(jù)測距標(biāo)準(zhǔn)差/mm1.25nullnull2.332.50null1.301.195.000.760.890.9810.000.720.830.9120.000.700.770.8940.000.690.760.8780.000.690.760.87不同算法在不同采樣頻率下的精度2.全波形激光雷達(dá)技術(shù)脈寬參考光幅值采樣頻率波形插值倍率測距精度測距精度

測距精度

測距精度>

高精度測距——采樣頻率&脈寬

0Hz采樣頻率測距精度對(duì)比不同脈寬的參考光4ns脈寬、EM算法2.全波形激光雷達(dá)技術(shù)俯視截面圖多面鏡掃描能有效增加掃描線數(shù)

，且能設(shè)計(jì)不同的反射角度實(shí)現(xiàn)不同的掃描方向采用多面鏡掃描時(shí)

，存在兩個(gè)方向上的角度誤差需要對(duì)角度誤差進(jìn)行修正>

高精度指向——面型角度標(biāo)定正視截面圖原理圖P112.全波形激光雷達(dá)技術(shù)在高頻率測距時(shí)

，

當(dāng)回波接收到的時(shí)間大于激光發(fā)射間隔時(shí)

，將會(huì)產(chǎn)生模糊測距>

多周期回波技術(shù)——問題描述P122.全波形激光雷達(dá)技術(shù)研究MTA解算技術(shù)

，解決高重頻和遠(yuǎn)測程制約問題

，提高點(diǎn)密度和作業(yè)效率l

最大回波數(shù)：

5次l

錯(cuò)誤區(qū)間噪點(diǎn)占比：0.

103%l

點(diǎn)密度：

206.8pt/m2（單航帶）飛行條件：

三面塔鏡掃描

，

250m航高

，

900k點(diǎn)頻(跨2個(gè)MTA區(qū)間)2.1國產(chǎn)全波形激光雷達(dá)-城市三維地形多回波P14進(jìn)口德國Z+F9012掃描儀國產(chǎn)自研270斷面掃描儀2.2國產(chǎn)車載掃描精度對(duì)比分析VSP15.

試驗(yàn)?zāi)康模?/p>

國產(chǎn)\進(jìn)口激光雷達(dá)精度對(duì)比分析。.

試驗(yàn)方案

：選用除激光雷達(dá)不同外配置完全相

同的兩款移動(dòng)三維測量系統(tǒng)

，分別搭載國產(chǎn)270和德國Z+F9012激光雷達(dá)。.

試驗(yàn)場地

：本次試驗(yàn)選用某普鐵隧道

，進(jìn)行移動(dòng)三維掃描掃描后隧道全斷面點(diǎn)云精度對(duì)比。.

試驗(yàn)日期：

2022年10月。2.2國產(chǎn)車載掃描精度對(duì)比方案設(shè)計(jì).

掃描原理：

脈沖相位式.

掃描頻率：

150HZ.

掃描點(diǎn)頻：

100萬點(diǎn)/s.

測距精度：

2mm@20m.

測距范圍：

0.5

~300m.

掃描原理：

相位式.

掃描頻率：

200HZ.

掃描點(diǎn)頻：

100萬點(diǎn)/s.

測距精度：

2mm@80m.

測距范圍：

0.5

~119mP162.2國產(chǎn)車載掃描精度對(duì)比分析.

國產(chǎn)270掃描儀三維點(diǎn)云效果.

Z+F9012三維點(diǎn)云效果P172.2國產(chǎn)車載掃描精度對(duì)比分析.

Z+F9012\國產(chǎn)270點(diǎn)云疊加分析：測距重復(fù)性和一致性均優(yōu)于2mm

，滿足高精度測量檢測精度要求P182.3國產(chǎn)機(jī)載掃描精度對(duì)比進(jìn)口奧地利Riegl-VUX-1無人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)國產(chǎn)自研FT系列無人機(jī)

載激光雷達(dá)系統(tǒng)VSP192.3國產(chǎn)機(jī)載掃描精度對(duì)比.

Rielg-VUX-

1三維點(diǎn)云效果.

國產(chǎn)FT1500三維點(diǎn)云效果P20P212.3國產(chǎn)機(jī)載掃描精度對(duì)比.

H1區(qū)間比例皆高于RIEGLVUX-1點(diǎn)云穿透性較好.

H2~H4區(qū)間比例與RIEGLVUX差別不大

，垂直結(jié)構(gòu)豐富程度相當(dāng)高程區(qū)間H1區(qū)間表明穿透樹木達(dá)到地面的區(qū)域

選區(qū)示意2.3國產(chǎn)機(jī)載掃描精度對(duì)比.

點(diǎn)密度分別為RIEGL

VUX-1的2.7倍和1.9倍.

高程精度與RIEGL

VUX-1基本一致P22…………3交通基礎(chǔ)設(shè)施測量應(yīng)用P23特點(diǎn)動(dòng)態(tài)性多源性

海量性自動(dòng)化高精度P24時(shí)空基準(zhǔn)同步控制存儲(chǔ)管理智能解譯精密定位3.1移動(dòng)三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)與挑戰(zhàn)傳感器在觀測過程中記錄海

量的數(shù)據(jù)海量數(shù)據(jù)處理需要自動(dòng)化、

智能化的解譯算法弱GNSS甚至無GNSS區(qū)域,

如何保持定位的準(zhǔn)確性傳感器在運(yùn)動(dòng)中完成對(duì)目標(biāo)

的觀測需要多個(gè)不同種類與特性的

傳感器同步觀測問題3.2核心技術(shù)-多傳感器集成技術(shù).

高精度移動(dòng)三維掃描系統(tǒng)以車載平臺(tái)為基礎(chǔ)，集成GNSS/IMU/DMI組合定位定姿系統(tǒng)、

激光掃描儀、

相機(jī)、

多傳感器同步控制單元、

嵌

入式計(jì)算機(jī)以及電源供電系統(tǒng)等設(shè)備。.

搭建道路全斷面測量平臺(tái)

，在同步控制單元的協(xié)調(diào)下使各個(gè)傳感器之間實(shí)現(xiàn)時(shí)空同步，P25快速采集獲取道路沿線的全斷面時(shí)空數(shù)據(jù)。P263.2核心技術(shù)-組合定位定姿技術(shù)攻克地下復(fù)雜環(huán)境下慣性高精度位置與姿態(tài)測量技術(shù)將鐵路隧道結(jié)構(gòu)形面測量絕對(duì)精度從分米級(jí)提高到毫米級(jí)l

慣導(dǎo)收斂條件苛刻l

無GNSS位置輸出l

復(fù)雜環(huán)境定位精度低地下受限或封閉環(huán)境下位置精確動(dòng)態(tài)位置測量精度差傳統(tǒng)的GNSS動(dòng)態(tài)測量精度僅為分米級(jí)，不滿足厘米級(jí)甚至毫米級(jí)

的工業(yè)測量需求，同時(shí)無法進(jìn)行隧道無GNSS動(dòng)態(tài)測量高動(dòng)態(tài)、復(fù)雜檢測

環(huán)境苛刻的位置精度

要求存在問題矛盾3.3研究成果-高分辨率三維激光激光成像技術(shù)P27

固定站點(diǎn)掃描成像軌道移動(dòng)三維掃描成像軌道移動(dòng)線掃描成像指標(biāo)名稱指標(biāo)參數(shù)檢測速度30000個(gè)/時(shí)檢測精度0.2mm檢測項(xiàng)目安裝狀態(tài)、彈條離縫、軌下墊板厚度、

左右偏移工作方式連續(xù)普查工作速度0~

10km/h3.4典型應(yīng)用-扣件智能檢測.

高鐵扣件：

Ⅱ型；V型；WJ-7型；WJ-8型；W300-1型。P2

地鐵扣件：

Ⅱ型、

DTVL2型、

DTIV-1型、

DJK5-1型、

DTK5型、

DTVⅡ2型、

DZIII型、

DT-III型、

DTVI2型、

11292型。扣件丟失

扣件間隙過大扣件安裝狀態(tài)檢查裝備自動(dòng)化檢測軟件扣件歪斜指標(biāo)名稱指標(biāo)參數(shù)測量速度0-

10km/h離縫精度0.2mm裂縫精度0.

1mm工作時(shí)間>4h工作溫度-

10°C—50°C設(shè)備重量≤80kg3.5典型應(yīng)用-高鐵軌道板裂縫與離縫檢測全線路軌道板圖像軌道板裂縫檢測離縫檢測自動(dòng)化軌道板離縫裂縫檢測裝備

自動(dòng)化檢測軟件P293.5典型應(yīng)用-軌道廓形測量.鋼軌廓形磨耗檢測利用GNSS\IMU\線結(jié)構(gòu)激光傳感器獲取鋼軌斷面輪廓數(shù)據(jù)

，通過算法智能化分析鋼軌廓形特征參數(shù)P30

實(shí)現(xiàn)線路幾何參數(shù)、

鋼軌廓形、

磨耗及傷損等鋼軌狀態(tài)綜合評(píng)估3.5典型應(yīng)用-軌道廓形測量P31

鋼軌連續(xù)廓形變化圖區(qū)間廓形偏差圖3.5典型應(yīng)用-道岔測量P323.5典型應(yīng)用-高鐵軌道全斷面綜合檢測n高鐵軌道全斷面綜合檢測平臺(tái)以電動(dòng)自行小車為載體

，集成軌道扣件檢查模塊、軌道板裂縫與離縫檢查模塊、鐵路移動(dòng)測量系統(tǒng)、

隧道全景（軌旁）

、軌面光帶檢查模塊等于一體。l

平臺(tái)設(shè)備工作時(shí)間大于4小時(shí)。l

設(shè)備以10km/h工作l

平臺(tái)設(shè)備工作時(shí)間大于4小時(shí)。l

設(shè)備以10km/h工作外業(yè)采集

，

充分利用天窗內(nèi)業(yè)精細(xì)化分析成果化報(bào)表輸出P33P34軌面光帶3.5典型應(yīng)用-高鐵軌道全斷面綜合檢測線路三維點(diǎn)云及實(shí)景軌道板及支承層扣件三維聲屏障：

單元板錯(cuò)位、

脫落（兩板內(nèi)部、

兩板之間）路基：

電纜槽蓋板狀態(tài)（缺失、

破損）3.5典型應(yīng)用-高鐵軌道全斷面綜合檢測P35

橋梁：

兩線間防水層狀態(tài)（卷起、

異物）隧道：

綜合洞室牌子（缺失、

損壞、

脫落）.

技術(shù)背景

：現(xiàn)階段大機(jī)搗固清篩作業(yè)需要實(shí)施軌道線形測量作業(yè)

，精度要求平面20mm

，

高程15mm。

滿足

線路線形平順性設(shè)計(jì)要求和抬道和撥道施工要求

，保障線路運(yùn)營安全。.

主要問題

：現(xiàn)階段方案采用慣導(dǎo)小車

，依賴控制網(wǎng)

，采用慣性小車接觸測量方式作業(yè)效率低1-3km/h

，現(xiàn)場

里程人工校核作業(yè)要求高

，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高。3.6創(chuàng)新應(yīng)用-軌道移動(dòng)三維掃描大機(jī)搗固清篩技術(shù)P36指標(biāo)項(xiàng)參

數(shù)

要

求激光發(fā)射頻率200萬點(diǎn)/秒掃描頻率150轉(zhuǎn)/秒掃描角度270。測距精度2mm@10m線路橫向偏差絕對(duì)精度20mm線路垂向偏差絕對(duì)精度15mm線路相對(duì)偏差相對(duì)精度2mm慣性單元激光慣導(dǎo)（自動(dòng)尋北）作業(yè)效率0-20km/h軌道車工作環(huán)境全天侯作業(yè)（雨雪除外）.

軌道移動(dòng)三維掃描大機(jī)搗固測量車臺(tái)以電動(dòng)自行小車為載體

，

搭載軌道幾何線形三維掃描系統(tǒng)

，

實(shí)現(xiàn)15km/h速度下的軌道高精度場景采集

，系統(tǒng)集成激光慣導(dǎo)、

GNSS、

國產(chǎn)270掃描儀、

里程編碼器

和同步控制模塊等

，

搭配后處理軟件模塊實(shí)現(xiàn)大機(jī)搗固成果輸出。3.6創(chuàng)新應(yīng)用-軌道移動(dòng)三維掃描大機(jī)搗固清篩技術(shù).

方案架構(gòu)P373.6創(chuàng)新應(yīng)用-軌道移動(dòng)三維掃描大機(jī)搗固清篩技術(shù)P383.6創(chuàng)新應(yīng)用-軌道移動(dòng)三維掃描大機(jī)搗固清篩技術(shù)P39P403.6創(chuàng)新應(yīng)用-軌道移動(dòng)三維掃描大機(jī)搗固清篩技術(shù)3.6創(chuàng)新應(yīng)用-軌道移動(dòng)三維掃描大機(jī)搗固清篩技術(shù)P41.

直線撥距表\緩和曲線撥距表\圓曲線撥距表3.6創(chuàng)新應(yīng)用-軌道移動(dòng)三維掃描大機(jī)搗固清篩技術(shù).

抬落量表P423.6創(chuàng)新應(yīng)用-軌道移動(dòng)三維掃描大機(jī)搗固清篩技術(shù).

選用本方案成果的軌道調(diào)整數(shù)據(jù)與慣導(dǎo)小車軌道調(diào)整數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比

，線形設(shè)計(jì)方案精度一致

，

完全滿足軌道大機(jī)搗固作業(yè)要求（平面20mm

，

高程15mm），

兩套方案對(duì)比本方案外業(yè)作業(yè)效率提升5倍以上。.

與慣導(dǎo)小車線形設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析P43.

技術(shù)背景

：現(xiàn)階段基于三維激光掃描的隧道結(jié)構(gòu)型面檢測作業(yè)方案已經(jīng)比較成熟

，

由于國內(nèi)缺乏測距精度優(yōu)

于2mm的高精度激光掃描技術(shù)

，

主流廠家均集成德國Z+F9012、

徠卡P40、

Faro等高精度三維掃描模塊。.

主要問題

：系統(tǒng)整體集成費(fèi)用高

，售后維護(hù)周期長（4個(gè)月以上）

。滿足隧道高精度檢測測量要求（測距精度

優(yōu)于2mm@20m）

的國產(chǎn)高精度三維激光掃描技術(shù)現(xiàn)階段處于空白。3.7創(chuàng)新應(yīng)用-融合激光圖像的隧道檢測測量技術(shù)

P44P45.創(chuàng)新思路：

團(tuán)隊(duì)結(jié)合自身隧道激光三維掃描技術(shù)成

果以及近6年來在國內(nèi)二十余地鐵城市5000km地

鐵隧道和1000km高鐵隧道工程經(jīng)驗(yàn)

，

設(shè)計(jì)了一套融合激光圖像的隧道檢測測量技術(shù)方案

，該方案

經(jīng)湖北省科技成果鑒定為國際領(lǐng)先。.突破了自主高精度地鐵隧道三維掃描技術(shù)裝置國產(chǎn)

化難題

，發(fā)明專利10余項(xiàng)

，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。3.7創(chuàng)新應(yīng)用-融合激光圖像的隧道檢測測量技術(shù)

P46技術(shù)方