基于3D移动测量系统点云数据的钢轨信息自动提取方法

为实现铁路基础设施智能化管理运维,利用3D移动测量系统高效获取高精度点云数据,并对点云数据进行智能化处理。钢轨作为铁路基础设施中最基本的单元,是几何参数计算的基础,对其信息进行自动提取具有重要意义。因此,提出了一种基于3D移动测量系统点云数据的钢轨信息自动提取方法。首先利用点云数据中的角度信息快速实现道床区域的分割,有效减小计算量;然后利用精细栅格划分和动态阈值实现地面点与非地面点的分离;最后利用DBSCAN聚类算法与RANSAC算法完成钢轨点云数据的最终提取。为验证该算法的有效性,以国铁场景钢轨点云数据和隧道场景钢轨点云数据为试验对象,验证结果显示国铁场景和隧道场景的钢轨点云提取准确度分别为96.32%和97.54%,完整度分别为92.14%和94.87%,准确度和完整度均高于90%。试验结果表明:该方法具有操作简单,提取结果准确的优点。     

基于三维重构的钢桥表面锈蚀提取方法研究

为实现钢桥表面锈蚀的准确提取及可视化，提出基于三维重构的钢桥锈蚀提取方法。该方法利用无人机采集桥梁影像，基于倾斜摄影生成三维点云模型，通过点云模型进行RGB颜色分布直方图统计，获取模型初始聚类中心，运用K-means聚类算法结合最大类间方差法获取锈蚀最佳分割阈值，进而对锈蚀率及锈蚀等级进行评估，并结合点云模型实现锈蚀可视化。以某钢桁拱桥为背景，采用该方法提取锈蚀区域，基于视觉分析和定量分析进行精确度评价，验证方法的有效性。结果表明，该钢桥的表面锈蚀率1.3%～9.4%,锈蚀等级为3～4级；提出的钢桥锈蚀提取方法平均正确提取率可达90.1%,平均漏提取率、误提取率分别为9.9%、8.2%,可有效用于钢桥表面锈蚀提取。     

密度聚类与PCA的点云数据处理技术在高铁轨道检测中的应用

为解决轨道手工检测效率低、准确度不高的问题,克服二维线激光与轨向不垂直而影响检测精度的不足,利用三维结构光点云技术对高铁轨道表面状态进行检测。数据处理是三维结构光检测的重要环节,综合运用密度聚类与PCA算法对点云进行快速处理。首先采用三维栅格算法对点云进行采样,减少点云数据量;其次利用密度聚类将点云分成不同的簇类以去除噪声点和离群点,提取出目标点云;最后通过PCA算法计算点云的3个主成分向量,求解变换矩阵变换点云,实现点云初始配准。精确配准后,与标准模型点云对比,即可得出检测结果。现场试验结果表明,该方法运行速度快,配准精度较高,有效提高了检测的效率和精度。     

基于弦测法与密度聚类的三维结构光波磨检测

为解决钢轨波磨人工检测费时费力及惯性法检测精度较低的问题,综合利用三维结构光技术、弦测法和密度聚类算法进行波磨检测。首先获取钢轨点云,通过纵向平面遍历轨头点云得到钢轨的纵向截面簇,其次利用弦测法计算相应纵向截面的谷深和波长。最后利用钢轨发生波磨时产生的接触斑,对遍历计算的谷深和波长分别进行密度聚类,将相同或相似接触斑的波磨信息聚类成簇,对聚类后各簇的结果进行统计分析得到相应钢轨的波磨信息。本方法结合三维结构光数据量大、弦测法计算直接明确的优点,通过密度聚类将不同深度、大小的波磨接触斑进行区别,有效地将钢轨波磨不同谷深及波长成分进行分类计算。实验室样件试验及现场试验表明,本方法能够实现对钢轨波磨的精确检测。     

基于三维激光扫描技术的既有铁路道岔岔心自动提取方法

针对目前常规岔心测量方法作业效率低下、测量人员上线作业存在较大安全隐患等问题,提出一种基于三维激光扫描技术的既有铁路道岔岔心自动提取方法:①对原始点云数据进行预处理,通过轨面高程滤波剔除枕木等无用数据(只保留铁轨轨面数据);②利用Hough变换算法检测直线,并采用最小二乘法对检测出的直线进行拟合,以提高直线检测精度;③为每条直线设置1个邻域,搜索邻域内的点作为该条直线新的直线点集,采用最小二乘法对新筛选出的直线点集进行第二次拟合;④将直线参数相近的直线合并为一条直线,得到最终的轨道直线,根据提取出的直线参数计算岔心坐标。选取某车站既有道岔的点云数据进行实例验证,提取出的岔心坐标与传统人工测量方式得到的岔心坐标差值均在3 cm以内,证明了该方法的可行性。     

基于ArcGIS-Addin的激光点云断面数据提取应用研究

为了解决在已有激光点云基础上自动提取纵、横断面数据的问题,研发了基于ArcGISAddin的激光点云断面数据处理软件,该软件可根据设计线路和桩号,利用ArcObject中IPolyline接口提供的QueryPoint()方法计算出各中桩点,利用QueryNormal()方法计算出各桩号位置的道路法线。将中桩点和法线在不规则三角网中进行高程插值,可得到三维中桩点和三维横断面。在此基础上进行精度统计和格式转换等工作,实现了任意桩号、任意方向的断面数据自动提取及多种道路设计软件断面数据的导出。利用该方法在已分类激光点云基础上进行断面数据采集,一台可运行ArcGIS软件的普通PC机,断面处理速度可达100 km/h。     

铁路罐车容积检定点云干扰点的自动去除算法

运用三维激光扫描法检定铁路罐车容积是铁路罐车容积检定技术发展的趋势,然而目前在扫描形成点云中,由人工去除干扰点的做法严重影响后期数据的处理效率。提出自动去除干扰点的算法,该方法通过切片、投影将点云进行扁平化并进行极坐标系转换,在极坐标系中以确定微分区域内有效点云与干扰点云的特征差异作为判定依据,通过最大类间方差法计算阈值将其做出区分。运用Matlab R2012b平台对算法进行仿真,将G_(60k)型铁路罐车点云作为样本进行算法试验,有效去除了试验数据中的干扰点。     

基于连续点云数据的既有铁路轨面信息快速提取算法设计

三维激光扫描获取的既有铁路点云数据具有海量性、离散性等特点,难以从点云数据中快速提取线路参数.为此,结合现场实测数据,提出一种基于连续点云数据的既有铁路轨面信息快速提取算法.通过k-d树实现点云的快速搜索、查询和储存,利用主成分分析法和移动激光点聚类法提取的接触线分割构建出铁路缓冲区,进而通过平面格网法的粗提和多种约束条件下的精提实现了轨面点提取.对既有线路现场试验结果表明,轨面点提取的完整度c和准确度p均在93％以上,该方法能较好地实现钢轨轨面点云的快速提取.     

智轨列车基于稀疏点云和图像的车辆识别技术

针对识别智轨列车的前方车辆三维信息来保证其行车安全的问题,提出一种面向智轨列车基于稀疏点云和图像的车辆识别技术.首先采用基于角度阈值的算法分割地面并提取障碍物点云,然后提出距离角度约束算法遍历障碍物点云求解聚类点集,通过二次求解优化聚类结果获取预融合聚类点集,最后采用YOLOv3网络模型进行车辆检测,构建基于几何模型的图像点云映射关系,将车辆图像识别信息与预融合聚类点集进行匹配,实现了车辆三维信息识别.研究结果表明:在16线激光雷达稀疏点云条件下,所提方法在多障碍物共存的开放式场景中具有较高的识别率和实时性,满足智轨列车动态检测需求.     

高速铁路Ⅲ型轨道板尺寸快速检测技术研究

提出一种基于激光跟踪和手持激光扫描组合技术的轨道板外观尺寸快速检测方法。手持类激光扫描仪可以快速、高精度地获取轨道板表面激光点云数据,绝对激光跟踪仪可为手持扫描仪提供高频、高精度位置和姿态信息,这些信息将用于手持扫描仪实时定位定姿。利用扫描获取的轨道板激光点云数据,通过点云分类与采样一致性算法,可实现轨道模型参数的自动提取,将自动提取的模型参数与设计模型进行比较,可实现轨道板外观尺寸的检测。     

隧道三维激光扫描点云断面 收敛参数相关性研究

基于移动三维激光扫描隧道点云数据,通过点云预处理、断面提取过滤,最后进行隧道管环实测轴径提 取、椭圆拟合得到断面的水平轴径值、椭圆度等数值成果表及椭圆拟合等成果图。从几何形态学的角度,对横径 与设计偏差、椭圆周长、椭圆均轴差等椭圆拟合结果参数与椭圆度之间数学关系及相关性进行统计分析与研究, 探究隧道管环实测点云经过椭圆拟合出的长短轴长异常值的自动筛选方法。结果表明：椭圆度与横径值具有较强 的线性相关性;椭圆均轴差 D(椭圆长轴加短轴与两倍理论圆直径之差)与椭圆周长和理论圆周长之差 d 约束关系 式,可以用作管环变形椭圆拟合长短轴长异常值的筛选依据。     

基于三维激光扫描的既有铁路中线勘测方法研究

线路勘测是既有铁路改造、维护以及与增建二线的重要环节,为解决铁路轨道三维激光点云不完整对钢轨线型提取的精度和影响等问题,提出一种基于钢轨结构特征约束匹配的三维激光点云轨道中心线自动提取新方法,通过将三维激光扫描获取的钢轨断面与标准钢轨相匹配,以标准钢轨中心线对遮挡和缺失的实际扫描钢轨中心线进行表达,从而精确计算钢轨中线三维坐标。对典型铁路场景不同激光扫描密度的3个点云数据集,采用新方法进行铁路中线测量实验,结果表明:在所有数据集中,高程中误差均小于4 mm,水平中误差均小于4 mm。因此,在复杂的铁路场景、三维激光点云被遮挡或缺失的情况下,新方法均能稳健计算铁路中心线,在既有线高精度勘测中具有广泛应用前景。     

铁路线路点云数据可视化重构方法研究

针对地面激光扫描仪外业获取的海量线路点云数据,核心解决线路点云的专业化处理与利用问题。结合铁路线路技术特征,进行线路点云预处理研究,主要包括线路点云数据配准、采用基于几何特征的传统分割方法结合CCD影像信息进行线路点云数据分割,再经过除噪平滑处理后,对离散点云数据集进行封装处理,进而为后续正向CAD设计数据的提取提供基础操作模型。提出线路点云可视化对象重构方法,基于离散数据点曲率为主的几何特性估算,初步判定线路主点及变坡点信息,进而在不同主点范围内,通过特征截面的构造获取线数据和面数据。重构的线路点云数据符合正向设计习惯,基于此获得的连续钢轨走行面数据可用做线路几何形位判别指标的基础数据。     

既有双线铁路线位重构技术研究

为解决铁路既有线线位重构中仅涉及单线铁路,没有顾及建筑限界,不能有效评价重构线位的合理性,不能保证双线铁路的线间关系问题,从直线边重构、曲线整正重构、建筑限界嵌入、里程系统更新与左右线相对关系计算等方面,进行既有双线铁路线位重构技术研究。直线段重构采用最小二乘拟合优化、左右线实时联动技术;投影法确定拟合理论直线起、终点位置;右线基于线间关系约束条件确定法;建筑限界点嵌入测点文件处理法;曲线段整正重构时,左线采用单线法整正重构、右线基于约束条件的渐进优化法;提出更新右线里程系统,取消内业断链,采用外业断链方式进行右线投影关系计算。经过工程验证,既有双线线位重构技术方法完善,数学模型合理可靠,能够在既有铁路、地铁项目的勘测设计、施工、工务养护中应用。     

基于惯导的移动三维测量技术在地铁保护区变形监测中的应用研究

在地铁保护区变形监测中,水平位移和沉降作为重要的监测内容,通常用全站仪和水准仪测量,其测量精度高,应用比较广泛,但是该手段仅能对布设有监测点的区域进行监测,无法掌握隧道整体的变形情况。本文提出基于惯导系统的移动三维测量技术,通过在隧道内布设基准网,配合Lidar控制点绝对坐标传递,对惯导系统的累积误差进行修正,最终得到隧道结构三维点云模型。依托杭州市某地铁区间三维扫描项目,采用不同间距的控制点对惯导系统的累积误差进行修正,经与全站仪测量值对比,结果表明:移动三维测量技术的水平位移和沉降监测精度与隧道线型有关,当隧道为直线有坡度环境时,其水平位移监测精度比较稳定,基本保持在0.76 mm左右,沉降监测精度随控制点间距增大而降低,最优可达0.72 mm。     

考虑轮对弹性的轮轨接触点算法

研究轮对动力学相关问题时要考虑轮对的弹性变形,本文在传统迹线法的基础上发展一种考虑轮对弹性的轮轨接触点计算方法。该方法通过计算滚动圆上的点和该点在轨道上的投影点的法向矢量确定可能接触点,形成接触迹线,根据迹线和轨道型面的垂向最小距离确定最终的接触点。利用该方法,本文建立单轮对刚柔耦合系统动力学方程来求解轮轨接触点,并通过刚性轮对与弹性轮对的计算结果对比,讨论轮对弹性变形对接触点位置和轮轨蠕滑率的影响。结果表明,该方法可有效解决考虑轮对弹性的轮轨接触计算问题。     

利用方向自适应投影统一运营铁路坐标系

为满足TB 10601-2009《高速铁路工程测量规范》中控制网设计时边长投影变形值的要求,设计院通常把1条几百公里的高速铁路划分为多个几十公里的工程投影独立坐标系.相邻坐标系之间的搭接段线路设计中线,可采用前、后投影带坐标系的设计参数来推算,由于投影变形导致相邻坐标系推算出的线路设计中线存在横向偏差,轨道精调时若处理...     

基于椭圆拟合的隧道点云数据去噪方法

针对地铁隧道这一狭长密闭环境,激光雷达相较于传统隧道形变检测方法具有显著优势。由于受环境以及隧道中安装的大量设备的影响,数据中会包含大量噪声点,无法得到隧道完整内表壁数据,从而影响到数据在形变检测及三维建模等方面的应用。结合最小二乘法和拉格朗日乘数法对隧道点云模型进行椭圆拟合,并将其应用于圆形隧道点云滤波,利用各区域数据对隧道形变进行检测。对滤波结果的精度评定及其有效性分析表明,此算法针对隧道点云数据的滤波具有良好效果及稳定性。     

基于NURBS的轨道板点云外形尺寸检测研究

CRTSⅢ型轨道板铺装前必须进行逐板检测。因此,如何有效提高轨道板的检测效率及检测精度成为一个亟待解决的问题。三维激光扫描技术作为一项新兴技术,为空间信息的获取提供一种全新的技术手段。以三维扫描仪获取的CRTSⅢ型轨道板承轨台点云数据作为研究对象,在点云预处理的基础上采用NURBS曲面拟合建模,并利用模型建立特征,据此提取承轨台相关核心检测指标。实验结果表明,NURBS模型视觉效果较好且重构精度较高,各检测指标最大偏差均未超过允许值,检测结果具有较高的可靠性,该方法实现了轨道板模型参数的可视化和信息化表达。