CN115112106A - 基于高速铁路轨道几何状态测量的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于高速铁路轨道几何状态测量的方法及系统，其在高速铁路轨道的第一位置和第二位置分布布置车载测量仪和全站仪，利用全站仪作为参照物，并指示车载测量仪沿高速铁路轨道运动过程中采集车载测量仪相对于全站仪的激光定位数据和经过的高速铁路轨道区域的三维扫描数据；再对上述采集得到的数据进行分析，得到高速铁路轨道的轨道外部几何参数和轨道内部几何参数，最后根据上述几何参数，构建形成高速铁路轨道的空间三维模型，这样只需要一次设置全站仪后，利用车载测量仪对高速铁路轨道进行全局化的自动持续几何状态测量，这样能够减少对高速铁路轨道几何测量的人力时间成本，以及提高高速铁路轨道测量的效率和准确性。

Description

基于高速铁路轨道几何状态测量的方法及系统

技术领域

本发明涉及高速铁路轨道测量的技术领域，特别涉及基于高速铁路轨道几何状态测量的方法及系统。

背景技术

为了对高速铁路轨道进行几何状态检测，现有技术会在铺设高速铁路轨道的两侧间隔设置多个控制点标记，工作人员再利用全站仪对每个控制点标记进行逐一测量，确定高速铁路轨道的几何参数。上述方式不仅在每一测量时人工设置控制标记点，同时还需要改变全站仪的位置以针对每个控制点标记进行逐一测量，这增加高速铁路轨道测量的人力和时间成本，并且无法对测量数据进行自动分析处理，降低高速铁路轨道的几何参数测量精确性。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供基于高速铁路轨道几何状态测量的方法及系统，其在高速铁路轨道的第一位置和第二位置分布布置车载测量仪和全站仪，利用全站仪作为参照物，并指示车载测量仪沿高速铁路轨道运动过程中采集车载测量仪相对于全站仪的激光定位数据和经过的高速铁路轨道区域的三维扫描数据；再对上述采集得到的数据进行分析，得到高速铁路轨道的轨道外部几何参数和轨道内部几何参数，最后根据上述几何参数，构建形成高速铁路轨道的空间三维模型，这样只需要一次设置全站仪后，利用车载测量仪对高速铁路轨道进行全局化的自动持续几何状态测量，这样能够减少对高速铁路轨道几何测量的人力时间成本，以及提高高速铁路轨道测量的效率和准确性。

本发明提供基于高速铁路轨道几何状态测量的方法，其包括如下步骤：

步骤S1，在高速铁路轨道内部的第一位置和第二位置分别布置车载测量仪和全站仪；对车载测量仪和全站仪进行标定校准后，指示车载测量仪从第一位置沿着高速铁路轨道朝向全站仪运动；

步骤S2，当车载测量仪运动时，采集车载测量仪相对于全站仪的激光定位数据，以及采集车载测量仪对自身运动经过的高速铁路轨道区域的三维扫描数据；将激光定位数据和三维扫描数据分组保存到车载测量仪的计算机中；

步骤S3，对激光定位数据进行分析处理，得到高速铁路轨道的轨道外部几何参数；对三维扫描数据进行分析处理，得到高速铁路轨道的轨道内部几何参数；

步骤S4，将轨道外部几何参数和轨道内部几何参数保存到计算机后，构建形成高速铁路轨道的空间三维模型。

进一步，在所述步骤S1中，在高速铁路轨道内部的第一位置和第二位置分别布置车载测量仪和全站仪具体包括：

在高速铁路轨道内部的中轴线上确定第二位置，并在第二位置上布置全站仪；在高速铁路轨道内部沿轨道延伸方向与第二位置距离100m以内的第一位置布置车载测量仪。

进一步，在所述步骤S1中，对车载测量仪和全站仪进行标定校准后，指示车载测量仪从第一位置沿着高速铁路轨道朝向全站仪运动具体包括：

将车载测量仪的棱镜与全站仪进行对准标定后，指示车载测量仪从第一位置沿着高速铁路轨道朝向全站仪进行匀速运动，同时保持全站仪在第二位置静止不动。

进一步，在所述步骤S2中，当车载测量仪运动时，采集车载测量仪相对于全站仪的激光定位数据具体包括：

当车载测量仪运动时，指示车载测量仪的激光定位器采集车载测量仪相对于全站仪在三维空间的激光定位数据；其中，激光定位数据包括车载测量仪在高速铁路轨道上运动过程中的三维姿态数据。

进一步，在所述步骤S2中，当车载测量仪运动时，采集车载测量仪对自身运动经过的高速铁路轨道区域的三维扫描数据具体包括：

当车载测量仪运动时，指示车载测量仪的激光扫描器采集车载测量仪运动经过高速铁路轨道区域的轨道三维扫描数据。

进一步，在所述步骤S2中，当车载测量仪运动时，指示车载测量仪的激光定位器采集车载测量仪相对于全站仪在三维空间的激光定位数据还包括，

所述全站仪自动定位车载测量仪的激光定位其，并自动利用激光进行测距，所述全站仪能够自动进行水平方向的旋转和竖直方向的翻滚旋转，并且在水平方向的旋转和在竖直方向的翻滚旋转均存在一个初始位置方向，在所述全站仪自动定位车载测量仪的激光定位器时，所述全站仪还实时记录当前所述全站仪相对于初始位置方向在水平方向的旋转角度和在竖直方向的翻滚旋转角度，其中旋转角度的测量方向为水平方向是从三维空间中X轴转向Y轴的方向以及竖直翻滚方向是从Z轴方向转向全站仪相对于初始位置方向，上述两个角度方向范围均为0°～360°，先根据当前全站仪相对于初始位置在水平方向的旋转角度和竖直方向的翻滚旋转角度判断所述车载测量仪是否发生运动，若发生运动，则根据当前时刻全站仪相对于初始位置在水平方向的旋转角度和在竖直方向的翻滚旋转角度以及全站仪激光测距的距离以及全站仪水平旋转初始位置方向和三维空间建立的空间坐标系中X轴的方向之间的夹角和竖直翻滚旋转初始位置方向和三维空间建立的空间坐标系中Z轴的方向之间的夹角得到车载测量仪相对于全站仪在三维空间的激光定位数据，其过程为，

步骤S201，利用下面公式(1)，根据当前全站仪相对于初始位置在水平方向的旋转角度和竖直方向的翻滚旋转角度判断所述车载测量仪是否发生运动，

在上述公式(1)中，R(t)表示当前时刻所述车载测量仪是否发生运动的检测值；t表示当前时刻；α(t)表示当前时刻全站仪相对于水平初始位置在水平方向的旋转角度；β(t)表示当前时刻全站仪相对于竖直初始位置在竖直方向的翻滚旋转角度；f表示所述全站仪的检测频率；||表示求取绝对值；

若R(t)＝0，表示当前时刻所述车载测量仪未发生运动；

若R(t)≠0，表示当前时刻所述车载测量仪发生运动；

步骤S202，若所述车载测量仪发生运动，则利用下面公式(2)，根据当前时刻全站仪相对于初始位置在水平方向的旋转角度和竖直方向的翻滚旋转角度以及全站仪激光测距的距离以及全站仪水平旋转初始位置方向和三维空间建立的空间坐标系中X轴的方向之间的夹角和竖直翻滚旋转初始位置方向和三维空间建立的空间坐标系中Z轴的方向之间的夹角得到车载测量仪相对于全站仪在三维空间的激光定位数据，

在上述公式(2)，L_x(t)表示当前时刻所述车载测量仪相对于全站仪在三维空间的X轴正方向上的偏移距离，若L_x(t)<0，表示当前时刻所述车载测量仪相对于全站仪在三维空间的X轴的负方向上偏移|L_x(t)|距离；L_y(t)表示当前时刻所述车载测量仪相对于全站仪在三维空间的Y轴正方向上的偏移距离，若L_y(t)<0表示当前时刻所述车载测量仪相对于全站仪在三维空间的Y轴的负方向上偏移|L_y(t)|距离；L_z(t)表示当前时刻所述车载测量仪相对于全站仪在三维空间的Z轴正方向上的偏移距离，若L_z(t)<0表示当前时刻所述车载测量仪相对于全站仪在三维空间的Z轴的负方向上偏移|L_z(t)|距离；S(t)表示当前时刻所述全站仪激光测距到所述车载测量仪的距离；

表示三维空间建立的空间坐标系中X轴方向相对于水平初始位置在水平方向的角度；

三维空间建立的空间坐标系中Z轴方向相对于竖直初始位置在竖直翻滚方向的角度；％表示求取余数符号；

步骤S203，利用下面公式(3)，根据将所述车载测量仪相对于全站仪在三维空间的激光定位数据进行数据打包处理以进行数据存储，

在上述公式(3)，B(t)表示对当前时刻所述车载测量仪相对于全站仪在三维空间的激光定位数据进行数据打包后的打包数据，其数据形式为矩阵形式；L₀(t)＝min[L_x(t),L_y(t),L_z(t)]表示当前时刻取值到L_x(t),L_y(t),L_z(t)的最小值；E(t)＝e_min[L_x(t),L_y(t),L_z(t)]表示当前时刻取值到L_x(t),L_y(t),L_z(t)的最小值时的下角标对应的是x,y,z中的对应字符；[E(t)]₁₀表示字符数据E(t)转换为十进制数据；D[]表示非零保持函数，若括号内的数值为非零数值则函数值为括号内的数值，若括号内的数值为零则函数值为括号内的数值加L₀(t)。

进一步，在所述步骤S2中，将激光定位数据和三维扫描数据分组保存到车载测量仪的计算机中具体包括：

获取车载测量仪当前在高速铁路轨道上运动对应的轨道区段编号，将轨道区段编号作为三维姿态数据和轨道三维扫描数据各自的数据帧头后，分组保存到车载测量仪的计算机中。

进一步，在所述步骤S3中，对激光定位数据进行分析处理，得到高速铁路轨道的轨道外部几何参数具体包括：

从三维姿态数据中提取得到车载测量仪的左车轮和右车轮各自的运动三维姿态数据，并对运动三维姿态数据进行分析处理，得到高速铁路轨道的左轨道平面和右轨道平面各自的平面坐标参数；

从三维姿态数据中提取得到车载测量仪的左车轮和右车轮各自的运动高程姿态数据，并对运动高程姿态数据进行分析处理，得到高速铁路轨道的左轨道平面和右轨道平面之间的高程偏差参数。

进一步，在所述步骤S3中，对三维扫描数据进行分析处理，得到高速铁路轨道的轨道内部几何参数具体包括：

从轨道三维扫描数据中提取得到高速铁路轨道的左右轨道在三维空间的直线间距数据，根据所述直线间距数据，得到高速铁路轨道的左右轨道轨距变化率；

从轨道三维扫描数据中提取得到高速铁路轨道的左右轨道在三维空间的轨道走向数据，根据所述轨道走向数据，得到高速铁路轨道的轨向扭曲信息。

本发明还提供实施基于高速铁路轨道几何状态测量的方法的系统，其包括：

车载测量仪，其设置在高速铁路轨道的第一位置；

所述车载测量仪上设置有激光定位器、激光扫描器和计算机；

全站仪，其设置在高速铁路轨道的第二位置；

所述计算机在车载测量仪与全站仪完成标定校准后，指示车载测量仪从第一位置沿着高速铁路轨道朝向全站仪运动；

所述激光定位器用于当车载测量仪运动时，采集车载测量仪相对于全站仪的激光定位数据；

所述激光扫描器用于当车载测量仪运动时，采集车载测量仪对自身运动经过的高速铁路轨道区域的三维扫描数据

所述计算机还用于对激光定位数据进行分析处理，得到高速铁路轨道的轨道外部几何参数，以及对三维扫描数据进行分析处理，得到高速铁路轨道的轨道内部几何参数；再将轨道外部几何参数和轨道内部几何参数保存到计算机后，构建形成高速铁路轨道的空间三维模型。

相比于现有技术，该基于高速铁路轨道几何状态测量的方法及系统在高速铁路轨道的第一位置和第二位置分布布置车载测量仪和全站仪，利用全站仪作为参照物，并指示车载测量仪沿高速铁路轨道运动过程中采集车载测量仪相对于全站仪的激光定位数据和经过的高速铁路轨道区域的三维扫描数据；再对上述采集得到的数据进行分析，得到高速铁路轨道的轨道外部几何参数和轨道内部几何参数，最后根据上述几何参数，构建形成高速铁路轨道的空间三维模型，这样只需要一次设置全站仪后，利用车载测量仪对高速铁路轨道进行全局化的自动持续几何状态测量，这样能够减少对高速铁路轨道几何测量的人力时间成本，以及提高高速铁路轨道测量的效率和准确性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于高速铁路轨道几何状态测量的方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1，为本发明实施例提供的基于高速铁路轨道几何状态测量的方法的流程示意图。该基于高速铁路轨道几何状态测量的方法包括如下步骤：

步骤S1，在高速铁路轨道内部的第一位置和第二位置分别布置车载测量仪和全站仪；对车载测量仪和全站仪进行标定校准后，指示车载测量仪从第一位置沿着高速铁路轨道朝向全站仪运动；

步骤S2，当车载测量仪运动时，采集车载测量仪相对于全站仪的激光定位数据，以及采集车载测量仪对自身运动经过的高速铁路轨道区域的三维扫描数据；将激光定位数据和三维扫描数据分组保存到车载测量仪的计算机中；

步骤S3，对激光定位数据进行分析处理，得到高速铁路轨道的轨道外部几何参数；对三维扫描数据进行分析处理，得到高速铁路轨道的轨道内部几何参数；

步骤S4，将轨道外部几何参数和轨道内部几何参数保存到计算机后，构建形成高速铁路轨道的空间三维模型。

上述技术方案的有益效果为：该基于高速铁路轨道几何状态测量的方法在高速铁路轨道的第一位置和第二位置分布布置车载测量仪和全站仪，利用全站仪作为参照物，并指示车载测量仪沿高速铁路轨道运动过程中采集车载测量仪相对于全站仪的激光定位数据和经过的高速铁路轨道区域的三维扫描数据；再对上述采集得到的数据进行分析，得到高速铁路轨道的轨道外部几何参数和轨道内部几何参数，最后根据上述几何参数，构建形成高速铁路轨道的空间三维模型，这样只需要一次设置全站仪后，利用车载测量仪对高速铁路轨道进行全局化的自动持续几何状态测量，这样能够减少对高速铁路轨道几何测量的人力时间成本，以及提高高速铁路轨道测量的效率和准确性。

优选地，在步骤S1中，在高速铁路轨道内部的第一位置和第二位置分别布置车载测量仪和全站仪具体包括：

在高速铁路轨道内部的中轴线上确定第二位置，并在第二位置上布置全站仪；在高速铁路轨道内部沿轨道延伸方向与第二位置距离100m以内的第一位置布置车载测量仪。

上述技术方案的有益效果为：在实际操作中，将高速铁路轨道划分为若干高速铁路轨道区段，每个高速铁路轨道区段的长度100m以内，再将每个高速铁路轨道的首尾两端分别作为第一位置和第二位置，从而分别布置车载测量仪和全站仪，这样能够对高速铁路轨道进行分区测量，提高测量效率。

优选地，在步骤S1中，对车载测量仪和全站仪进行标定校准后，指示车载测量仪从第一位置沿着高速铁路轨道朝向全站仪运动具体包括：

将车载测量仪的棱镜与全站仪进行对准标定后，指示车载测量仪从第一位置沿着高速铁路轨道朝向全站仪进行匀速运动，同时保持全站仪在第二位置静止不动。

上述技术方案的有益效果为：车载测量仪上设置棱镜，在进行测量之前，将全站仪与车载测量仪的棱镜进行对准标定，这样能够保证车载测量仪在高速铁路轨道上运动测量过程中始终与全站仪为基准，对相应的高速铁路轨道区段进行全面的监测。

优选地，在步骤S2中，当车载测量仪运动时，采集车载测量仪相对于全站仪的激光定位数据具体包括：

当车载测量仪运动时，指示车载测量仪的激光定位器采集车载测量仪相对于全站仪在三维空间的激光定位数据；其中，激光定位数据包括车载测量仪在高速铁路轨道上运动过程中的三维姿态数据。

上述技术方案的有益效果为：当车载测量仪在高速铁路轨道上进行运动时，指示激光陀螺仪等激光定位器采集车载测量仪相对于全站仪在高速铁路轨道上运动过程中的三维姿态数据。由于高速铁路轨道的左右轨道的轨道平面朝向改变和轨道高低存在差异，车载测量仪在运动过程中会相应地在三维空间存在姿态变化，这样测量得到的三维姿态数据能够反映上述高速铁路轨道的左右轨道的轨道平面朝向改变和轨道高低存在差异。

优选地，在该步骤S2中，当车载测量仪运动时，指示车载测量仪的激光定位器采集车载测量仪相对于全站仪在三维空间的激光定位数据还包括，

该全站仪自动定位车载测量仪的激光定位其，并自动利用激光进行测距，该全站仪能够自动进行水平方向的旋转和竖直方向的翻滚旋转，并且在水平方向的旋转和在竖直方向的翻滚旋转均存在一个初始位置方向，在该全站仪自动定位车载测量仪的激光定位器时，该全站仪还实时记录当前该全站仪相对于初始位置方向在水平方向的旋转角度和在竖直方向的翻滚旋转角度，其中旋转角度的测量方向为水平方向是从三维空间中X轴转向Y轴的方向以及竖直翻滚方向是从Z轴方向转向全站仪相对于初始位置方向，上述两个角度方向范围均为0°～360°，先根据当前全站仪相对于初始位置在水平方向的旋转角度和竖直方向的翻滚旋转角度判断该车载测量仪是否发生运动，若发生运动，则根据当前时刻全站仪相对于初始位置在水平方向的旋转角度和在竖直方向的翻滚旋转角度以及全站仪激光测距的距离以及全站仪水平旋转初始位置方向和三维空间建立的空间坐标系中X轴的方向之间的夹角和竖直翻滚旋转初始位置方向和三维空间建立的空间坐标系中Z轴的方向之间的夹角得到车载测量仪相对于全站仪在三维空间的激光定位数据，其过程为，

步骤S201，利用下面公式(1)，根据当前全站仪相对于初始位置在水平方向的旋转角度和竖直方向的翻滚旋转角度判断该车载测量仪是否发生运动，

在上述公式(1)中，R(t)表示当前时刻该车载测量仪是否发生运动的检测值；t表示当前时刻；α(t)表示当前时刻全站仪相对于水平初始位置在水平方向的旋转角度；β(t)表示当前时刻全站仪相对于竖直初始位置在竖直方向的翻滚旋转角度；f表示该全站仪的检测频率；||表示求取绝对值；

若R(t)＝0，表示当前时刻该车载测量仪未发生运动；

若R(t)≠0，表示当前时刻该车载测量仪发生运动；

步骤S202，若该车载测量仪发生运动，则利用下面公式(2)，根据当前时刻全站仪相对于初始位置在水平方向的旋转角度和竖直方向的翻滚旋转角度以及全站仪激光测距的距离以及全站仪水平旋转初始位置方向和三维空间建立的空间坐标系中X轴的方向之间的夹角和竖直翻滚旋转初始位置方向和三维空间建立的空间坐标系中Z轴的方向之间的夹角得到车载测量仪相对于全站仪在三维空间的激光定位数据，

在上述公式(2)，L_x(t)表示当前时刻该车载测量仪相对于全站仪在三维空间的X轴正方向上的偏移距离，若L_x(t)<0，表示当前时刻该车载测量仪相对于全站仪在三维空间的X轴的负方向上偏移|L_x(t)|距离；L_y(t)表示当前时刻该车载测量仪相对于全站仪在三维空间的Y轴正方向上的偏移距离，若L_y(t)<0表示当前时刻该车载测量仪相对于全站仪在三维空间的Y轴的负方向上偏移|L_y(t)|距离；L_z(t)表示当前时刻该车载测量仪相对于全站仪在三维空间的Z轴正方向上的偏移距离，若L_z(t)<0表示当前时刻该车载测量仪相对于全站仪在三维空间的Z轴的负方向上偏移|L_z(t)|距离；S(t)表示当前时刻该全站仪激光测距到该车载测量仪的距离；

表示三维空间建立的空间坐标系中X轴方向相对于水平初始位置在水平方向的角度；

三维空间建立的空间坐标系中Z轴方向相对于竖直初始位置在竖直翻滚方向的角度；％表示求取余数符号；

步骤S203，利用下面公式(3)，根据将该车载测量仪相对于全站仪在三维空间的激光定位数据进行数据打包处理以进行数据存储，

在上述公式(3)，B(t)表示对当前时刻该车载测量仪相对于全站仪在三维空间的激光定位数据进行数据打包后的打包数据，其数据形式为矩阵形式；L₀(t)＝min[L_x(t),L_y(t),L_z(t)]表示当前时刻取值到L_x(t),L_y(t),L_z(t)的最小值；E(t)＝e_min[L_x(t),L_y(t),L_z(t)]表示当前时刻取值到L_x(t),L_y(t),L_z(t)的最小值时的下角标对应的是x,y,z中的对应字符；[E(t)]₁₀表示字符数据E(t)转换为十进制数据；D,]表示非零保持函数，若括号内的数值为非零数值则函数值为括号内的数值，若括号内的数值为零则函数值为括号内的数值加L₀(t)。

上述技术方案的有益效果为：利用上述公式(1)，根据当前全站仪相对于初始位置在水平方向的旋转角度和竖直方向的翻滚旋转角度判断车载测量仪是否发生运动，进而通过全站仪进行自动监测所述车载测量仪的状态，从而可以及时的做出响应，提高系统的响应效率；然后利用上述公式(2)，根据当前时刻全站仪相对于初始位置在水平方向的旋转角度和竖直翻滚方向的旋转角度以及全站仪激光测距的距离以及全站仪水平旋转初始位置方向和三维空间建立的空间坐标系中X轴的方向之间的夹角和竖直翻滚旋转初始位置方向和三维空间建立的空间坐标系中Z轴的方向之间的夹角得到车载测量仪相对于全站仪在三维空间的激光定位数据，进而知晓运动的车载测量仪相对于全站仪在三维空间的实时状态，并且自动计算自动储存定位数据，保证系统的智能化和自动化的特点；最后利用上述公式(3)将车载测量仪相对于全站仪在三维空间的激光定位数据进行数据打包处理，便于后续对数据的储存，从而将数据进行压缩后再打包，一是便于数据的调用和储存，二是减少存储空间，节约内存。

优选地，在步骤S2中，当车载测量仪运动时，采集车载测量仪对自身运动经过的高速铁路轨道区域的三维扫描数据具体包括：

当车载测量仪运动时，指示车载测量仪的激光扫描器采集车载测量仪运动经过高速铁路轨道区域的轨道三维扫描数据。

上述技术方案的有益效果为：当车载测量仪在高速铁路轨道上进行运动时，指示激光扫描仪等激光扫描器对车载测量仪运动经过高速铁路轨道区域进行激光扫描处理，得到高速铁路轨道区域对应的轨道三维扫描数据；其中轨道三维扫描数据包括高速铁路轨道区域的三维形貌数据。

优选地，在步骤S2中，将激光定位数据和三维扫描数据分组保存到车载测量仪的计算机中具体包括：

获取车载测量仪当前在高速铁路轨道上运动对应的轨道区段编号，将轨道区段编号作为三维姿态数据和轨道三维扫描数据各自的数据帧头后，分组保存到车载测量仪的计算机中。

上述技术方案的有益效果为：

优选地，在步骤S3中，对激光定位数据进行分析处理，得到高速铁路轨道的轨道外部几何参数具体包括：

从三维姿态数据中提取得到车载测量仪的左车轮和右车轮各自的运动三维姿态数据，并对运动三维姿态数据进行分析处理，得到高速铁路轨道的左轨道平面和右轨道平面各自的平面坐标参数；

从三维姿态数据中提取得到车载测量仪的左车轮和右车轮各自的运动高程姿态数据，并对运动高程姿态数据进行分析处理，得到高速铁路轨道的左轨道平面和右轨道平面之间的高程偏差参数。

上述技术方案的有益效果为：以车载测量仪的左车轮和右车轮各自的运动三维姿态数据和运动高程姿态数据为基准，能够得到高速铁路轨道的左右轨道的平面和高程的绝对位置，还有线路轨距和水平(超高)等信息，从而得出相应的偏差参数(与线路设计参数比较)。

优选地，在步骤S3中，对三维扫描数据进行分析处理，得到高速铁路轨道的轨道内部几何参数具体包括：

从轨道三维扫描数据中提取得到高速铁路轨道的左右轨道在三维空间的直线间距数据，根据直线间距数据，得到高速铁路轨道的左右轨道轨距变化率；

从轨道三维扫描数据中提取得到高速铁路轨道的左右轨道在三维空间的轨道走向数据，根据轨道走向数据，得到高速铁路轨道的轨向扭曲信息。

上述技术方案的有益效果为：以高速铁路轨道的左右轨道在三维空间的直线间距数据和轨道走向数据为基准，能够得到高速铁路轨道的左右轨道轨距变化率和轨向扭曲信息，这样能够对高速铁路轨道的左右轨道走向进行全面识别分别。最后，将上述得到的高速铁路轨道的左轨道平面和右轨道平面各自的平面坐标参数、左轨道平面和右轨道平面之间的高程偏差参数、左右轨道轨距变化率和轨向扭曲信息输入到计算机中，进行高速铁路轨道的空间三维模型构建，便于后续对高速铁路轨道的几何状态进行可视化分析。

此外，本发明还提供实施基于高速铁路轨道几何状态测量的方法的系统，其包括：

车载测量仪，其设置在高速铁路轨道的第一位置；

车载测量仪上设置有激光定位器、激光扫描器和计算机；

全站仪，其设置在高速铁路轨道的第二位置；

计算机在车载测量仪与全站仪完成标定校准后，指示车载测量仪从第一位置沿着高速铁路轨道朝向全站仪运动；

激光定位器用于当车载测量仪运动时，采集车载测量仪相对于全站仪的激光定位数据；

激光扫描器用于当车载测量仪运动时，采集车载测量仪对自身运动经过的高速铁路轨道区域的三维扫描数据

计算机还用于对激光定位数据进行分析处理，得到高速铁路轨道的轨道外部几何参数，以及对三维扫描数据进行分析处理，得到高速铁路轨道的轨道内部几何参数；再将轨道外部几何参数和轨道内部几何参数保存到计算机后，构建形成高速铁路轨道的空间三维模型。

上述实施基于高速铁路轨道几何状态测量的方法的系统与前述基于高速铁路轨道几何状态测量的方法是相对应的，这里不再对上述设备的工作过程和功能进行重复叙述。

从上述实施例的内容可知，该基于高速铁路轨道几何状态测量的方法及系统在高速铁路轨道的第一位置和第二位置分布布置车载测量仪和全站仪，利用全站仪作为参照物，并指示车载测量仪沿高速铁路轨道运动过程中采集车载测量仪相对于全站仪的激光定位数据和经过的高速铁路轨道区域的三维扫描数据；再对上述采集得到的数据进行分析，得到高速铁路轨道的轨道外部几何参数和轨道内部几何参数，最后根据上述几何参数，构建形成高速铁路轨道的空间三维模型，这样只需要一次设置全站仪后，利用车载测量仪对高速铁路轨道进行全局化的自动持续几何状态测量，这样能够减少对高速铁路轨道几何测量的人力时间成本，以及提高高速铁路轨道测量的效率和准确性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.基于高速铁路轨道几何状态测量的方法，其特征在于，其包括如下步骤：

步骤S1，在高速铁路轨道内部的第一位置和第二位置分别布置车载测量仪和全站仪；对车载测量仪和全站仪进行标定校准后，指示车载测量仪从第一位置沿着高速铁路轨道朝向全站仪运动；

步骤S2，当车载测量仪运动时，采集车载测量仪相对于全站仪的激光定位数据，以及采集车载测量仪对自身运动经过的高速铁路轨道区域的三维扫描数据；将激光定位数据和三维扫描数据分组保存到车载测量仪的计算机中；

步骤S3，对激光定位数据进行分析处理，得到高速铁路轨道的轨道外部几何参数；对三维扫描数据进行分析处理，得到高速铁路轨道的轨道内部几何参数；

步骤S4，将轨道外部几何参数和轨道内部几何参数保存到计算机后，构建形成高速铁路轨道的空间三维模型。

2.如权利要求1所述的基于高速铁路轨道几何状态测量的方法，其特征在于：

在所述步骤S1中，在高速铁路轨道内部的第一位置和第二位置分别布置车载测量仪和全站仪具体包括：

在高速铁路轨道内部的中轴线上确定第二位置，并在第二位置上布置全站仪；在高速铁路轨道内部沿轨道延伸方向与第二位置距离100m以内的第一位置布置车载测量仪。

3.如权利要求2所述的基于高速铁路轨道几何状态测量的方法，其特征在于：

在所述步骤S1中，对车载测量仪和全站仪进行标定校准后，指示车载测量仪从第一位置沿着高速铁路轨道朝向全站仪运动具体包括：

将车载测量仪的棱镜与全站仪进行对准标定后，指示车载测量仪从第一位置沿着高速铁路轨道朝向全站仪进行匀速运动，同时保持全站仪在第二位置静止不动。

4.如权利要求3所述的基于高速铁路轨道几何状态测量的方法，其特征在于：

在所述步骤S2中，当车载测量仪运动时，采集车载测量仪相对于全站仪的激光定位数据具体包括：

当车载测量仪运动时，指示车载测量仪的激光定位器采集车载测量仪相对于全站仪在三维空间的激光定位数据；其中，激光定位数据包括车载测量仪在高速铁路轨道上运动过程中的三维姿态数据。

5.如权利要求4所述的基于高速铁路轨道几何状态测量的方法，其特征在于：

在所述步骤S2中，当车载测量仪运动时，指示车载测量仪的激光定位器采集车载测量仪相对于全站仪在三维空间的激光定位数据还包括，所述全站仪自动定位车载测量仪的激光定位其，并自动利用激光进行测距，所述全站仪能够自动进行水平方向的旋转和竖直方向的翻滚旋转，并且在水平方向的旋转和在竖直方向的翻滚旋转均存在一个初始位置方向，在所述全站仪自动定位车载测量仪的激光定位器时，所述全站仪还实时记录当前所述全站仪相对于初始位置方向在水平方向的旋转角度和在竖直方向的翻滚旋转角度，其中旋转角度的测量方向为水平方向是从三维空间中X轴转向Y轴的方向以及竖直翻滚方向是从Z轴方向转向全站仪相对于初始位置方向，上述两个角度方向范围均为0°～360°，先根据当前全站仪相对于初始位置在水平方向的旋转角度和竖直方向的翻滚旋转角度判断所述车载测量仪是否发生运动，若发生运动，则根据当前时刻全站仪相对于初始位置在水平方向的旋转角度和在竖直方向的翻滚旋转角度以及全站仪激光测距的距离以及全站仪水平旋转初始位置方向和三维空间建立的空间坐标系中X轴的方向之间的夹角和竖直翻滚旋转初始位置方向和三维空间建立的空间坐标系中Z轴的方向之间的夹角得到车载测量仪相对于全站仪在三维空间的激光定位数据，其过程为，

步骤S201，利用下面公式(1)，根据当前全站仪相对于初始位置在水平方向的旋转角度和竖直方向的翻滚旋转角度判断所述车载测量仪是否发生运动，

在上述公式(1)中，R(t)表示当前时刻所述车载测量仪是否发生运动的检测值；t表示当前时刻；α(t)表示当前时刻全站仪相对于水平初始位置在水平方向的旋转角度；β(t)表示当前时刻全站仪相对于竖直初始位置在竖直方向的翻滚旋转角度；f表示所述全站仪的检测频率；||表示求取绝对值；

若R(t)＝0，表示当前时刻所述车载测量仪未发生运动；

若R(t)≠0，表示当前时刻所述车载测量仪发生运动；

步骤S202，若所述车载测量仪发生运动，则利用下面公式(2)，根据当前时刻全站仪相对于初始位置在水平方向的旋转角度和竖直方向的翻滚旋转角度以及全站仪激光测距的距离以及全站仪水平旋转初始位置方向和三维空间建立的空间坐标系中X轴的方向之间的夹角和竖直翻滚旋转初始位置方向和三维空间建立的空间坐标系中Z轴的方向之间的夹角得到车载测量仪相对于全站仪在三维空间的激光定位数据，

在上述公式(2)，L_x(t)表示当前时刻所述车载测量仪相对于全站仪在三维空间的X轴正方向上的偏移距离，若L_x(t)<0，表示当前时刻所述车载测量仪相对于全站仪在三维空间的X轴的负方向上偏移|L_x(t)|距离；L_y(t)表示当前时刻所述车载测量仪相对于全站仪在三维空间的Y轴正方向上的偏移距离，若L_y(t)<0表示当前时刻所述车载测量仪相对于全站仪在三维空间的Y轴的负方向上偏移|L_y(t)|距离；L_z(t)表示当前时刻所述车载测量仪相对于全站仪在三维空间的Z轴正方向上的偏移距离，若L_z(t)<0表示当前时刻所述车载测量仪相对于全站仪在三维空间的Z轴的负方向上偏移|L_z(t)|距离；S(t)表示当前时刻所述全站仪激光测距到所述车载测量仪的距离；

表示三维空间建立的空间坐标系中X轴方向相对于水平初始位置在水平方向的角度；

三维空间建立的空间坐标系中Z轴方向相对于竖直初始位置在竖直翻滚方向的角度；％表示求取余数符号；

步骤S203，利用下面公式(3)，根据将所述车载测量仪相对于全站仪在三维空间的激光定位数据进行数据打包处理以进行数据存储，

在上述公式(3)，B(t)表示对当前时刻所述车载测量仪相对于全站仪在三维空间的激光定位数据进行数据打包后的打包数据，其数据形式为矩阵形式；L₀(t)＝min[L_x(t),L_y(t),L_z(t)]表示当前时刻取值到L_x(t),L_y(t),L_z(t)的最小值；E(t)＝e_min[L_x(t),L_y(t),L_z(t)]表示当前时刻取值到L_x(t),L_y(t),L_z(t)的最小值时的下角标对应的是x,y,z中的对应字符；[E(t)]₁₀表示字符数据E(t)转换为十进制数据；D[]表示非零保持函数，若括号内的数值为非零数值则函数值为括号内的数值，若括号内的数值为零则函数值为括号内的数值加L₀(t)。

6.如权利要求4所述的基于高速铁路轨道几何状态测量的方法，其特征在于：

在所述步骤S2中，当车载测量仪运动时，采集车载测量仪对自身运动经过的高速铁路轨道区域的三维扫描数据具体包括：

当车载测量仪运动时，指示车载测量仪的激光扫描器采集车载测量仪运动经过高速铁路轨道区域的轨道三维扫描数据。

7.如权利要求6所述的基于高速铁路轨道几何状态测量的方法，其特征在于：

在所述步骤S2中，将激光定位数据和三维扫描数据分组保存到车载测量仪的计算机中具体包括：

获取车载测量仪当前在高速铁路轨道上运动对应的轨道区段编号，将轨道区段编号作为三维姿态数据和轨道三维扫描数据各自的数据帧头后，分组保存到车载测量仪的计算机中。

8.如权利要求7所述的基于高速铁路轨道几何状态测量的方法，其特征在于：

在所述步骤S3中，对激光定位数据进行分析处理，得到高速铁路轨道的轨道外部几何参数具体包括：

从三维姿态数据中提取得到车载测量仪的左车轮和右车轮各自的运动三维姿态数据，并对运动三维姿态数据进行分析处理，得到高速铁路轨道的左轨道平面和右轨道平面各自的平面坐标参数；

从三维姿态数据中提取得到车载测量仪的左车轮和右车轮各自的运动高程姿态数据，并对运动高程姿态数据进行分析处理，得到高速铁路轨道的左轨道平面和右轨道平面之间的高程偏差参数。

9.如权利要求8所述的基于高速铁路轨道几何状态测量的方法，其特征在于：

在所述步骤S3中，对三维扫描数据进行分析处理，得到高速铁路轨道的轨道内部几何参数具体包括：

从轨道三维扫描数据中提取得到高速铁路轨道的左右轨道在三维空间的直线间距数据，根据所述直线间距数据，得到高速铁路轨道的左右轨道轨距变化率；

从轨道三维扫描数据中提取得到高速铁路轨道的左右轨道在三维空间的轨道走向数据，根据所述轨道走向数据，得到高速铁路轨道的轨向扭曲信息。

10.实施如权利要求1-9中任一项所述的基于高速铁路轨道几何状态测量的方法的系统，其特征在于，其包括：

车载测量仪，其设置在高速铁路轨道的第一位置；

所述车载测量仪上设置有激光定位器、激光扫描器和计算机；

全站仪，其设置在高速铁路轨道的第二位置；

所述计算机在车载测量仪与全站仪完成标定校准后，指示车载测量仪从第一位置沿着高速铁路轨道朝向全站仪运动；

所述激光定位器用于当车载测量仪运动时，采集车载测量仪相对于全站仪的激光定位数据；

所述激光扫描器用于当车载测量仪运动时，采集车载测量仪对自身运动经过的高速铁路轨道区域的三维扫描数据

所述计算机还用于对激光定位数据进行分析处理，得到高速铁路轨道的轨道外部几何参数，以及对三维扫描数据进行分析处理，得到高速铁路轨道的轨道内部几何参数；再将轨道外部几何参数和轨道内部几何参数保存到计算机后，构建形成高速铁路轨道的空间三维模型。

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