铁路工务设备及周边环境形变对比分析方法技术

本发明专利技术涉及一种铁路工务设备及周边环境形变对比分析方法，包括：S1.准备工作阶段；S2.对比分析试验阶段;S3.试验结果获取阶段;S4.对比分析试验报告获取阶段。本发明专利技术对于不便使用靶点进行粗配准的情况，采用基于机载雷达多期激光点云数据对铁路周边环境进行对比分析，从而减少外业工作，提高工作效率，并能在点云形变比对过程中选出局部路段的影像数据，进一步分析成因，评估工务设备安全性确保环境安全。全。全。

【技术实现步骤摘要】
铁路工务设备及周边环境形变对比分析方法


[0001]本专利技术涉及铁路检测
，尤其涉及一种铁路工务设备及周边环境形变对比分析方法。

技术介绍

[0002]铁路沿线的工务设备及周边环境直接关系到铁路列车运行的安全，但目前针对铁路沿线的隐患排查与评估存在诸多难点。其主要原因是依赖人力排查，工作周期长、精度低、对铁路周边环境的分析不够全面。特别是针对隧道洞口高仰坡、高陡边坡等巡检人员难以到达、安全风险高的区域，采用无人机巡检不但提高了巡检效率和精度，同时可显著降低巡检人员作业风险，提高铁路工务设备及周边环境的隐患排查效率。
[0003]目前许多新型的测绘仪器和测量方法被应用于形变分析中，包括全球导航卫星系统(global navigation satellite system，GNSS)、地面激光扫描(terrestrial laser scanning，TLS)、全站仪、地基合成孔径雷达干涉测量(ground
‑
based interferometric synthetic aperture radar，GB
‑
InSAR)等。其中，机载激光雷达是一种主动式的对地观测系统，它集成了GNSS、IMU、激光测距技术及计算机技术，能够直接获取高精度、高分辨率的数字地面模型以及地物的三维空间信息，具有传统摄影测量方法无法取代的优越性。人工检测难免存在检测死角、或检测误差，可以借助激光雷达的穿透性，穿过树木的遮挡获得跟真实的地表信息，有助于对环境的形变分析。
[0004]对铁路的周边环境进行形变分析，有助于提前发现隐患，尤其是在汛期前后的形变分析对比，由于时间跨度大，人为检测难免存在误差，但是点云能够直接获取最原始的现场数据。基于此对铁路工务设备及周边环境的多期激光点云数据进行形变对比分析，可以直观的得到现场的形变大小及位置。同时随激光雷达附带高清摄像机，采集沿线高清图像，结合二维与三维的信息对铁路周边环境进行风险评估对线路的安全运行尤为重要。
[0005]在铁路领域现有技术中，采用激光雷达主要以地面激光雷达为主。如采用三维激光扫描技术对铁路边坡进行变形监测，以永久性三棱锥作为标定物，利用其点云特征提取控制点将两期点云数据配准分析边坡位移变形，对边坡的整体变形、竖向位移沉降变形及边坡的水平位移变形进行监测分析。如采用三维激光扫描仪一次扫描隧道整体数据，对隧道断面进行分片拟合的数据处理方法，并利用分片拟合获取的管片变形参数获取隧道断面的整体变形情况。在其他领域有应用机载雷达的实例，如采用机载激光扫描仪对大坝进行形变估计，获取两期大坝三维点云数据，应用优化算法，运用点到面形变量对比分析模式监测大坝形变量，对大坝的安全运维提供决策性辅助支撑。在电力巡线方面，应用激光雷达获取场景点云数据，并从中提取定位电塔位置。
[0006]现有技术普遍存在下列技术缺陷：1、现有利用激光雷达的铁路检测方式，主要应用地面激光雷达，检测范围有限、位置固定。而采用无人机搭载激光雷达的铁路巡检，以地形测绘为主，用于生成模型，对铁路工务设备及周边环境的形变分析较少。
[0007]2、现有基于点云数据的形变分析，太过依赖架设靶点进行配准，然而在山区使用无人机作业，设置靶点较为困难。
[0008]3、现有全线普查的铁路数据，经过后期处理存储资料，只对重点区域、敏感区域进行标注，必要时选出局部进行判断，效率较低，并没有一套针对铁路工务设备及周边环境快速分析的流程。
[0009]如何克服上述现有技术方案的不足, 对于不便使用靶点进行粗配准的情况，采用基于机载雷达多期激光点云数据对铁路周边环境进行对比分析，从而减少外业工作，提高工作效率，并能在点云形变比对过程中选出局部路段的影像数据，进一步分析成因，评估工务设备安全性确保环境安全，成为本
亟待解决的课题。

技术实现思路

[0010]为克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于多期激光点云数据的铁路工务设备及周边环境形变对比分析方法，具体采用如下技术方案：基于多期激光点云数据的铁路工务设备及周边环境形变对比分析方法，包括下列步骤：S1.准备工作阶段；S2.对比分析试验阶段;S3.试验结果获取阶段;S4.对比分析试验报告获取阶段;所述步骤S2.对比分析试验阶段,具体包括：S2.1对单期采集的数据进行预处理；S2.2调集各单期处理完毕的数据，直接进行配准分析；S2.3点云的形变对比。
[0011]进一步，所述步骤S1.准备工作阶段，具体包括：S1.1户外调查阶段，包括：寻找工务段各车间位置；使用小型无人机进行地形的勘察；查询相关市区的禁飞区；预估无人机飞行高度；S1.2室内准备阶段，包括：利用Waypoint Master仿地飞行软件规划航线，对无人机进行飞行设置；航线规划完成后进入三维卫星地图中验证航线的可行性；检查设备，保证无人机与激光雷达设备正常；S1.3数据收集，包括：基站架设，收集静态数据，采集固定点坐标数据；设备挂载和通电检查；航线执行进行无人机激光雷达扫描；S1.4数据整理，包括：检查POS数据和雷达数据是否正常存储；雷达设备关闭5分钟后，停止静态数据采集，关闭基准站，拷贝静态观测数据；现场数据采集完成后，立即完成数据编号整理。
[0012]进一步，对无人机进行飞行设置，具体包括：按照激光雷达航带重叠度为10%，正射影像旁向重叠度45%、航向重叠度65%进行设置。
[0013]进一步，所述步骤S2.1对单期采集的数据进行预处理，具体包括：根据设备划分
‘
点
’
，将线路拆分为多个区段，对周边区域进行裁切，裁切范围包括待检测环境。
[0014]进一步，所述步骤S2.2调集各单期处理完毕的数据，直接进行配准分析，具体包
括：将两个单期的
‘
点
’
读取到同一环境下，找到两个单期点云的交集部分，保证两个单期点云的范围相同；同时选中两个单期点云进行去噪处理；进行配准操作，选择ICP精配准方式，选择最大迭代次数与两次迭代的误差差异阈值作为结束迭代的条件, 首期点云作为配准的参考点云,待配准的对象为后期点云。
[0015]进一步，所述最大迭代次数在20
‑
40次之间；所述两次迭代的误差差异阈值为1
×
10
‑8。
[0016]进一步，所述步骤S2.3点云的形变对比，具体包括：采用点云对点云（cloud
‑
to
‑
cloud comparison，C2C）的对比分析方法;按照是否发生形变，将点云中的点分为两类，只对发生形变的点进行评估；调集区段的高清影像数据，先排除设备数据问题；确认影像编号以便快速找到影像数据，判断能否直接观察到隐患并予以排查；若借助影像数据无法排查，则依靠点云的三维信息对评判进行补充。
[0017]进一步，所述步骤S3.试验结果获取阶段，具体包括：S3.1记录亟需解决的隐患、后期重点观测区段，标明该区段里程。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁路工务设备及周边环境形变对比分析方法，其特征在于，包括下列步骤：S1.准备工作阶段；S2.对比分析试验阶段;S3.试验结果获取阶段;S4.对比分析试验报告获取阶段;所述步骤S2.对比分析试验阶段,具体包括：S2.1对单期采集的数据进行预处理；S2.2调集各单期处理完毕的数据，直接进行配准分析；S2.3点云的形变对比。2.根据权利要求1所述的铁路工务设备及周边环境形变对比分析方法，其特征在于，所述步骤S1.准备工作阶段，具体包括：S1.1户外调查阶段，包括：寻找工务段各车间位置；使用小型无人机进行地形的勘察；查询相关市区的禁飞区；预估无人机飞行高度；S1.2室内准备阶段，包括：利用Waypoint Master仿地飞行软件规划航线，对无人机进行飞行设置；航线规划完成后进入三维卫星地图中验证航线的可行性；检查设备，保证无人机与激光雷达设备正常；S1.3数据收集，包括：基站架设，收集静态数据，采集固定点坐标数据；设备挂载和通电检查；航线执行进行无人机激光雷达扫描；S1.4数据整理，包括：检查POS数据和雷达数据是否正常存储；雷达设备关闭5分钟后，停止静态数据采集，关闭基准站，拷贝静态观测数据；现场数据采集完成后，立即完成数据编号整理。3.根据权利要求2所述的铁路工务设备及周边环境形变对比分析方法，其特征在于，对无人机进行飞行设置，具体包括：按照激光雷达航带重叠度为10%，正射影像旁向重叠度45%、航向重叠度65%进行设置。4.根据权利要求1所述的铁路工务设备及周边环境形变对比分析方法，其特征在于，所述步骤S2.1对单期采集的数据进行预处理，具体包括：根据设备划分
‘
点
’
，将线路拆分为多个区段，对周边区域进行裁切，裁切范围包括待检测环境。5.根据权利要求1所述的铁路工务设备及周边环境形变对比分析方法，其特征在于，所述步骤S2.2调集各单期处理完毕的数据，直接进行配准分析，具体包括：将两个单期的
‘
点
’
读取到同一环境下，找到两个单期点云的交集部分，保证两个单期点云的范围相同；同时选中两个单期点云进行去噪处理；进行配准操作，选择ICP精配...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡德钩，魏少伟，石越峰，许贵阳，申文军，李彦军，姚建平，丁国富，付卫霖，危凤海，邱镇，刘瑞，曹渊东，吕宋，李博闻，李金洋，邹文武，刘越然，谭信陵，张杰，
申请(专利权)人：北京建筑大学中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所中国铁道科学研究院集团有限公司中国铁路北京局集团有限公司，
类型：发明
国别省市：