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基于TLS的CRTSⅢ轨道板点云工程坐标系的精确确定方法

基于TLS的CRTSⅢ轨道板点云工程坐标系的精确确定方法

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作者：谢富贵西南交通大学

学位级别：硕士

铺设完成后的CRTSⅢ轨道板各个承轨台的空间位置数据是钢轨精调的重要的基础数据之一。目前CRTSⅢ轨道板主要采用人工现场测量方式进行,具有劳动强度大、效率低等不足,已经难以满足我国高速铁路建设的需求。三维激光扫描(Terrestrial La... 详细信息

铺设完成后的CRTSⅢ轨道板各个承轨台的空间位置数据是钢轨精调的重要的基础数据之一。目前CRTSⅢ轨道板主要采用人工现场测量方式进行,具有劳动强度大、效率低等不足,已经难以满足我国高速铁路建设的需求。三维激光扫描(Terrestrial Laser Scan,TLS)技术具有扫描速度快,精度高等优势,可以快速扫描获取高精度轨道板点云,然后通过点云处理可完成轨道板的测量。由于轨道板测量须采用工程坐标系,而各站获取的点云均为局部坐标系,因此如何精确确定获取的CRTSⅢ轨道板点云的工程坐标是其中的关键问题。本文研究工作主要包括以下两方面:(1)基于平面特征约束的CRTSⅢ轨道板点云拼接由于TLS扫描时受扫描角度和扫描有效距离的限制,两对CPⅢ控制点间的CRTSⅢ轨道板点云需要通过多站进行采集。CRTSⅢ轨道板点云具有相似性,导致难以直接采用迭代最近点方法(ICP)进行拼接。并且承轨台挡肩等部位易受扫描角度的影响,使相邻测站扫描的同一承轨台点云具有对称性,导致难以通过全局或局部特征实现两站CRTSⅢ轨道板点云的拼接。由于CRTSⅢ轨道板点云中平面不受扫描角度的影响,且相邻测站轨道板点云的重叠区域内同名平面中的点对能准确表示两站点云的空间位置。基于该特点,提出平面特征约束的两站轨道板点云拼接算法。该算法先手动实现初拼接,再根据两站CRTSⅢ轨道板点云的同名平面重构同名点对,并利用加权SVD转换矩阵求解算法计算转换矩阵,以实现点云的精确拼接。基于两组实测CRTSⅢ轨道板点云对该算法进行测试,并与广义迭代最近点方法(GICP)进行对比。实验结果表明,该算法能实现CRTSⅢ轨道板点云的拼接,并且相较于GICP方法,其拼接精度提升了16%。高铁沿线每隔60m左右布设一对CPⅢ控制点,并且两对CPⅢ控制点间通常需要架设三个测站才能完成该段CRTSⅢ轨道板点云的采集。因此利用平面特征约束的两站轨道板点云拼接算法将前后测站点云拼接至中间测站,可得到两对CPⅢ控制点间完整的轨道板点云,为后续确定轨道板点云的工程坐标奠定基础。(2)稳健的轨道板点云坐标转换针对CPⅢ控制点坐标可能存在粗差的问题,提出稳健的CRTSⅢ轨道板点云工程坐标转换算法,以确定两对CPⅢ控制点间完整轨道板点云的工程坐标。首先提出附加多种几何信息约束的球形标靶自动提取算法来准确提取点云中的所有球形标靶坐标,解决了邻域距离突变法由于对径向背景的要求而难以准确提取高铁场景中的所有球形标靶,尤其是架设在三角架上的定向球形标靶的问题。然后采用稳健的高斯-牛顿坐标转换算法将完整轨道板点云转换到工程坐标系中。另外还实现了存在多投影带的情况下,线路工程坐标与里程的高精度转换模型。模拟实验结果表明,当个别CPⅢ控制点坐标存在粗差时,稳健的CRTSⅢ轨道板点云工程坐标转换算法能获得正确的结果,并且结果偏差小于0.12mm。对模拟轨道板场景扫描了三站点云,以进行CRTSⅢ轨道板点云坐标转换测试,并以球棱镜作为精度检核点。实验中以中间测站为基准站,将前后测站点云分别与之拼接,得到拼接后轨道板点云,实验结果表明平面特征约束的两站轨道板点云拼接算法能有效实现轨道板点云的拼接。稳健的CRTSⅢ轨道板点云工程坐标转换算法确定拼接后轨道板点云的工程坐标时,根据球棱镜的坐标较差计算转换精度,并且其转换精度相较于高斯-牛顿坐标转换算法提升了7.7%。实验结果表明本文算法可精确确定轨道板点云的工程坐标。

关键词：轨道板点云拼接平面特征球形标靶自动提取稳健的高斯-牛顿坐标转换算法三维激光扫描 CRTSⅢ轨道板高速铁路

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