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1、P1毛庆洲 教授武汉大学遥感信息工程学院2023年6月国产测绘级激光雷达关键技术及交通设施数字化应用P2P2研究背景1P34铁路:轨道板离缝、钢轨磨耗、扣件失效等影响行车安全4隧道:衬砌掉块、透水、侵界、错台、结构变形等引发重大安全事故4公路:高速公路机场跑道等路面坑槽、破损等影响出行安全基础设施“结构形状和表面变化”是众多安全事故的直接原因结构形面“状态测量”是基础设施安全运维的关键香港高铁因轨道变形脱轨扣件松脱导致列车脱轨1.1研究背景-基础设施安全运维是国家重大需求P41.1研究背景-结构形面状态测量现状与难题指标测精难普查测全难状态判准难空间分布广泛、环境恶劣观测时间受限、精度高结构尺
2、度多变、形状复杂精度差效率低高效、高精度测量技术是大范围基础设施状态测量的亟需 我国基础设施正从大规模建设向精细化养护转变0.3mm裂缝1mm刻槽扣件0.2mmP51.1主要创新思路方法创新技术突破装备研制发明高精度脉冲-相位混合式激光扫描装置高信噪比高速率数字化波形高精度高重频测距点频150万HZ、高精度(0.5mm)地铁隧道精密测量发展融合高分影像和点云的交通基础设施病害分析与提取方法小波分析隧道环片点云去噪融合点云灰度深度图、高分图像的病害定位及精准识别快速、精准、智能的系列自主测量系列装备工程应用公路、隧道、铁路、机场等交通基础设施高精度检测测量公路隧道检测道岔结构检测高铁全断面测量大
3、机捣固清筛测量P6P6高精度激光雷达技术2P72.激光雷达测距原理及方法n 脉冲式激光雷达(dTOF)n 相位式激光雷达 测量距离远 系统简单,易小型化p 测距精度较低,为cm级到mm级 测量距离很远p 测距噪点多p 测量速度慢n 脉冲式单光子激光雷达p 测量距离近 测距精度高,为mm级到亚mm级p 系统较复杂n 三角法测距 测距精度可达到级p 测量距离很近,精度与测程互相制约 系统简单,成本较低P82.全波形激光雷达技术n 激光发射和回波波形n 波形数字化l 数据量高达50Gbits,由FPGA强大的在线处理能力,实时解算种子光和回波的时间间隔,实现高精度测距、多回波检测、获得目标物反射率等
4、需求。=12关键点:处理算法的优化及其FPGA实现 波形数字化方法高速ADC采样技术及FPGA在线处理技术P92.全波形激光雷达技术l 高速处理能力每个探测到的回波都需要进行处理,对算法效率提出很高要求l 波形分解常见的波形分解算法有EM、LM算法EM算法:将波形视为概率密度函数,通过求解波形占比进而求解每个子波形的参数;LM算法:利用非线性最小二乘法求解多个波形参数可将重叠波形分解出数个子波形,获得更多测距值波形分解需要迭代,耗时较长,对波形形态要求较高,且回波间隔小于1倍FWHM将无法分辨是否有多个波形;小于1.5倍FWHM测距偏差较大;大于2倍FWHM波形已基本分离 高精度测距多回波技术
5、EMLMP102.全波形激光雷达技术脉宽测距精度参考光幅值测距精度采样频率测距精度波形插值倍率测距精度插值后等效采样频率/GHz原始5GHz数据测距标准差/mm原始2.5GHz数据测距标准差/mm原始1.25GHz数据测距标准差/mm1.25nullnull2.332.50null1.301.195.000.760.890.9810.000.720.830.9120.000.700.770.8940.000.690.760.8780.000.690.760.874ns脉宽、EM算法不同算法在不同采样频率下的精度不同脉宽的参考光5GHz采样频率测距精度对比 高精度测距采样频率&脉宽P112.全波
6、形激光雷达技术 高精度指向面型角度标定采用多面镜扫描时,存在两个方向上的角度误差正视截面图俯视截面图多面镜扫描能有效增加扫描线数,且能设计不同的反射角度实现不同的扫描方向需要对角度误差进行修正原理图P122.全波形激光雷达技术 多周期回波技术问题描述在高频率测距时,当回波接收到的时间大于激光发射间隔时,将会产生模糊测距P132.全波形激光雷达技术飞行条件:三面塔镜扫描,250m航高,900k点频(跨2个MTA区间)l 最大回波数:5次l 错误区间噪点占比:0.103%l 点密度:206.8pt/m2(单航带)研究MTA解算技术,解决高重频和远测程制约问题,提高点密度和作业效率P142.1 国产
7、全波形激光雷达-城市三维地形多回波P152.2 国产车载扫描精度对比分析国产自研270断面扫描仪进口德国Z+F9012扫描仪VSP162.2 国产车载扫描精度对比方案设计n 试验目的:国产进口激光雷达精度对比分析。n 试验方案:选用除激光雷达不同外配置完全相同的两款移动三维测量系统,分别搭载国产270和德国Z+F9012激光雷达。n 试验场地:本次试验选用某普铁隧道,进行移动三维扫描扫描后隧道全断面点云精度对比。n 试验日期:2022年10月。n 扫描原理:相位式n 扫描频率:200HZn 扫描点频:100万点/sn 测距精度:2mm80mn 测距范围:0.5119mn 扫描原理:脉冲相位式n
8、 扫描频率:150HZn 扫描点频:100万点/sn 测距精度:2mm20mn 测距范围:0.5300mP172.2 国产车载扫描精度对比分析n Z+F9012三维点云效果n 国产270扫描仪三维点云效果P182.2 国产车载扫描精度对比分析n Z+F9012国产270点云叠加分析:测距测距重复性和一致性均优于重复性和一致性均优于2mm,满足高精度测量检测精度要求,满足高精度测量检测精度要求P192.3 国产机载扫描精度对比国产自研FT系列无人机载激光雷达系统进口奥地利Riegl-VUX-1无人机载激光雷达系统VSP202.3 国产机载扫描精度对比n Rielg-VUX-1三维点云效果n 国产
9、FT1500三维点云效果P212.3 国产机载扫描精度对比n H1区间比例皆高于RIEGL VUX-1点云穿透性较好n H2H4区间比例与RIEGL VUX差别不大,垂直结构丰富程度相当H1区间表明穿透树木达到地面的区域P222.3 国产机载扫描精度对比n 高程精度与RIEGL VUX-1基本一致n 点密度分别为RIEGL VUX-1的2.7倍和1.9倍P23P23交通基础设施测量应用3P243.1 移动三维激光扫描技术的特点与挑战动态性传感器在运动中完成对目标的观测多源性海量性自动化特点问题时空基准需要多个不同种类与特性的传感器同步观测同步控制传感器在观测过程中记录海量的数据存储管理海量数据
10、处理需要自动化、智能化的解译算法智能解译高精度弱GNSS甚至无GNSS区域,如何保持定位的准确性精密定位P253.2 核心技术-多传感器集成技术n 搭建道路全断面测量平台,在同步控制单元的协调下使各个传感器之间实现时空同步,快速采集获取道路沿线的全断面时空数据。n 高精度移动三维扫描系统以车载平台为基础,集成GNSS/IMU/DMI组合定位定姿系统、激光扫描仪、相机、多传感器同步控制单元、嵌入式计算机以及电源供电系统等设备。P263.2 核心技术-组合定位定姿技术地下受限或封闭环境下位置精确动态位置测量精度差存在问题l 惯导收敛条件苛刻l 无GNSS位置输出l 复杂环境定位精度低传统的GNSS
11、动态测量精度仅为分米级,不满足厘米级甚至毫米级的工业测量需求,同时无法进行隧道无GNSS动态测量苛刻的位置精度要求高动态、复杂检测环境矛盾攻克地下复杂环境下惯性高精度位置与姿态测量技术将铁路隧道结构形面测量绝对精度从分米级提高到毫米级P273.3 研究成果-高分辨率三维激光激光成像技术固定站点扫描成像轨道移动三维扫描成像轨道移动线扫描成像P283.4 典型应用-扣件智能检测n高铁扣件:型;V型;WJ-7型;WJ-8型;W300-1型。n地铁扣件:型、DTVL2型、DTIV-1型、DJK5-1型、DTK5型、DTV2型、DZIII型、DT-III型、DTVI2型、11292型。扣件安装状态检查扣
12、件丢失扣件间隙过大扣件歪斜扣件安装状态检查装备自动化检测软件指标名称指标名称指标参数检测速度30000个/时检测精度0.2mm检测项目安装状态、弹条离缝、轨下垫板厚度、左右偏移工作方式连续普查工作速度010km/hP293.5 典型应用-高铁轨道板裂缝与离缝检测指标名称指标参数测量速度0-10km/h离缝精度0.2mm裂缝精度0.1mm工作时间4h工作温度-10C50C设备重量80kg自动化检测软件自动化轨道板离缝裂缝检测装备全线路轨道板图像轨道板裂缝检测离缝检测P303.5 典型应用-轨道廓形测量n 钢轨廓形磨耗检测利用GNSSIMU线结构激光传感器获取钢轨断面轮廓数据,通过算法智能化分析钢
13、轨廓形特征参数实现线路几何参数、钢轨廓形、磨耗及伤损等钢轨状态综合评估P313.5 典型应用-轨道廓形测量钢轨连续廓形变化图区间廓形偏差图P323.5 典型应用-道岔测量P333.5 典型应用-高铁轨道全断面综合检测n 高铁轨道全断面综合检测平台以电动自行小车为载体,集成轨道扣件检查模块、轨道板裂缝与离缝检查模块、铁路移动测量系统、隧道全景(轨旁)、轨面光带检查模块等于一体。l 平台设备工作时间大于4小时。l 设备以10km/h工作外业采集,充分利用天窗内业精细化分析成果化报表输出l 平台设备工作时间大于4小时。l 设备以10km/h工作P343.5 典型应用-高铁轨道全断面综合检测线路三维点
14、云及实景轨面光带轨面光带扣件三维轨道板及支承层P353.5 典型应用-高铁轨道全断面综合检测声屏障:单元板错位、脱落(两板内部、两板之间)路基:电缆槽盖板状态(缺失、破损)隧道:综合洞室牌子(缺失、损坏、脱落)桥梁:两线间防水层状态(卷起、异物)P363.6 创新应用-轨道移动三维扫描大机捣固清筛技术n 技术背景:现阶段大机捣固清筛作业需要实施轨道线形测量作业,精度要求平面20mm,高程15mm。满足线路线形平顺性设计要求和抬道和拨道施工要求,保障线路运营安全。n 主要问题:现阶段方案采用惯导小车,依赖控制网,采用惯性小车接触测量方式作业效率低1-3km/h,现场里程人工校核作业要求高,作业风
15、险高。P373.6 创新应用-轨道移动三维扫描大机捣固清筛技术指标项指标项参参 数数 要要 求求激光发射频率激光发射频率200万点/秒扫描频率扫描频率150转/秒扫描角度扫描角度270测距精度测距精度2mm10m线路横向偏差线路横向偏差绝对精度20mm线路垂向偏差线路垂向偏差绝对精度15mm线路相对偏差线路相对偏差相对精度2mm惯性单元惯性单元激光惯导(自动寻北)作业效率作业效率0-20km/h轨道车工作环境工作环境全天侯作业(雨雪除外)n 轨道移动三维扫描大机捣固测量车台以电动自行小车为载体,搭载轨道几何线形三维扫描系统,实现15km/h速度下的轨道高精度场景采集,系统集成激光惯导、GNSS
16、、国产270扫描仪、里程编码器和同步控制模块等,搭配后处理软件模块实现大机捣固成果输出。n 方案架构P383.6 创新应用-轨道移动三维扫描大机捣固清筛技术P393.6 创新应用-轨道移动三维扫描大机捣固清筛技术P403.6 创新应用-轨道移动三维扫描大机捣固清筛技术P413.6 创新应用-轨道移动三维扫描大机捣固清筛技术n 直线拨距表缓和曲线拨距表圆曲线拨距表P423.6 创新应用-轨道移动三维扫描大机捣固清筛技术n 抬落量表P433.6 创新应用-轨道移动三维扫描大机捣固清筛技术n 选用本方案成果的轨道调整数据与惯导小车轨道调整数据进行对比,线形设计方案精度一致,完全满足轨道大机捣固作业要
17、求(平面20mm,高程15mm),两套方案对比本方案外业作业效率提升5倍以上。n 与惯导小车线形设计方案对比分析P443.7 创新应用-融合激光图像的隧道检测测量技术n 技术背景:现阶段基于三维激光扫描的隧道结构型面检测作业方案已经比较成熟,由于国内缺乏测距精度优于2mm的高精度激光扫描技术,主流厂家均集成德国Z+F9012、徕卡P40、Faro等高精度三维扫描模块。n 主要问题:系统整体集成费用高,售后维护周期长(4个月以上)。满足隧道高精度检测测量要求(测距精度优于2mm20m)的国产高精度三维激光扫描技术现阶段处于空白。P453.7 创新应用-融合激光图像的隧道检测测量技术n创新思路:团
18、队结合自身隧道激光三维扫描技术成果以及近6年来在国内二十余地铁城市5000km地铁隧道和1000km 高铁隧道工程经验,设计了一套融合激光图像的隧道检测测量技术方案,该方案经湖北省科技成果鉴定为国际领先。n突破了自主高精度地铁隧道三维扫描技术装置国产化难题,发明专利10余项,填补了国内空白。P463.7 创新应用-融合激光图像的隧道检测测量技术技术方案满足地铁高铁隧道收敛、错台、侵限、掉块、渗水、裂缝等变形参数自动精准提取侵限渗水水平收敛错台衬砌掉块识别隧道裂缝检测P473.7 创新应用-融合激光图像的隧道检测测量技术n 深度学习隧道病害智能提取P483.7 创新应用-融合激光图像的隧道检测测
19、量技术n 不同场景高精度隧道三维点云P493.7 创新应用-融合Supmap软件平台应用n 支持隧道三维点云场景的特征提取,之后在SUPERMAP平台中实现隧道环片模型构建和发布。P50P50总结4P514.1 成果总结-空天地底全要素高精度三维信息系列装备51P524.2 应用总结n 铁路移动测量完成青藏铁路、京张高铁、巴基斯坦铁路等近万公里扫描应用,相关技术成果行业领先。n 地铁隧道扫描已经完成武汉、苏州、北京、广州等20余城市应用,累计完成建设期1000多公里和运营期5000多公里地铁结构形面安全测量应用,行业占比60%以上。n 公路隧道检测完成贵州、四川、云南等地近3000km的隧道三维扫描检测项目。n 完成各铁路局轨道全断面综合检测服务近万公里,推动了我国轨道交通基础设施数字化检测技术升级。n 截止目前,团队的激光雷达测量技术装备已广泛应用于我国高铁、普铁、城市轨道交通、公路等领域的基础设施全断面检测过程中,取得了良好的经济社会效益。P53Thank You All!