基于三维移动扫描系统的既有线状态综合分析方法和系统

1.一种基于三维移动扫描系统的既有线状态综合分析方法，其特征在于，包括：S1,基于高精度三维移动激光扫描系统对钢轨进行精细扫描以及对既有线全线路数据进行快速采集；S2，通过外业采集的方式采集外业数据；S3，基于对原始点云数据、惯导数据、GNSS数据和编码器里程数据的数据预处理和融合配准解算获得钢轨局部点云数据和全断面大场景的点云成果；S4，基于所述钢轨局部点云数据和全断面大场景的点云成果建立线路全线里程校准台账，所述线路全线里程校准台账中包含的台账信息包括里程、轨枕、接触网杆和GNSS位置中的一项或多项；S5，基于所述线路全线里程校准台账以及扫描数据进行多项检测，并基于所述多项检测分段输出既有线综合检测图和综合评估钢轨状态；所述多项检测包括线形设计调整检测、轨道几何状态检测、扣件检测、轨面病害检测、廓形磨耗检测、限界检测、工电设备检测以及既有线线形精细设计检测；所述S1包括：S11，建立基于高精度三维移动激光扫描系统的轨道检测与测量平台；S12，基于所述轨道检测与测量平台对钢轨进行精细扫描以及对既有线全线路数据进行快速采集；其中所述既有线全线路数据包括轨道精细点云数据和铁路沿线的全断面时空点云数据；所述S2包括：S21，进行实地踏勘和现场数据采集以采集外业数据；所述采集的外业数据包括编码器数据、GNSS数据、惯性导航数据、全面断面激光点云数据、钢轨结构光点云数据；S22，将所述外业数据进行数据拷贝；通过将外业采集分为实地踏勘、现场数据采集和数据拷贝三步进行，能够保证外业的顺利进行；所述S3包括：S31，基于车载激光雷达系统的数据预处理子系统对惯导数据IMU、GNSS数据和编码器里程数据DMI进行数据预处理解算，获得POS数据；所述POS数据包括GNSS数据和IMU数据，即倾斜摄影测量中的外方位元素：纬度、经度、高程、航向角、俯仰角及翻滚角；其中，GNSS数据用X、Y、Z表示，代表了曝光点时刻的地理位置；IMU数据主要包含航向角、俯仰角及翻滚角三个数据；S32，基于融合配准解算算法将所述POS数据、出厂标定数据、断面扫描仪的原始点云数据和线结构光扫描仪的原始点云数据进行多尺度融合，并获得带有绝对坐标的所述钢轨局部点云数据和全断面大场景的点云成果;所述S4包括：S41，制定里程中心线，包括：（1）获取里程中心线需要的前置数据，所述前置数据包括：结构光原始点云数据;惯导数据IMU、GNSS数据和编码器里程数据DMI融合解算的所述POS数据；以及结构光与惯导标定数据；（2）获取每帧四个结构光原始点云数据，根据标定参数将所述四个结构光原始点云数据拼接成左右轨道数据，记录当前帧GNSS时间为T；（3）对左右轨道进行滤波处理，并统计出左右钢轨的最高点，分别提取距离左右钢轨最高点下16mm的内轨距点；（4）根据所述内轨距点的X坐标以及当前钢轨类型轨宽D，左轨在X-1/2D位置处[-1mm,1mm]区域内取附近取最高点为左轨中心，右轨在X+1/2D位置处[-1mm,1mm]区域内取附近取最高点为右轨中心；（5）基于当前帧GNSS时间T确定对应的所述POS数据，所述POS数据包括位置X，Y，Z以及姿态数据Yaw、Pitch、Roll，将所述POS数据构成旋转矩阵M1，结合所述结构光与惯导标定数据构成的M矩阵，将所述内轨距点的X坐标所在的二维坐标转换为三维坐标，其中，左轨中心和右轨中心的中心点的连线构成轨道的里程中心线；（6）依次获取每帧的轨道的中心点，直到采集结束位置，整个过程中提取的所有中心点连接成线则为轨道的里程中心线；S42，提取里程桩，包括：（1）采用人工交互的方式，在三维激光点云中提取每个百米标和公里标；（2）基于所述每个百米标和公里标计算出相对里程信息和三维坐标数据；（3）输入所述每个百米标和公里标的绝对里程信息，以对所述轨道的里程中心线的相对里程进行校准；（4）根据三维坐标以及所述POS数据获取该点的GNSS位置信息；S43，自动识别轨枕，包括：（1）检测轨枕以及扣件相关信息，先根据最高点将轨头附近点云滤除，仅保留轨枕扣件点云；（2）设置线路基线高h，并设置点云任意一点为pt(x,y)；（3）从所示结构光原始点云数据起始帧开始逐帧遍历点云；（4）统计扣件所在范围内，满足下式（1）的点云数量nPt；若nPt大于设置阈值，则该帧为疑似扣件所在帧； （1）；式（1）中，x1,x2（x1>x2）为设置的扣件区域x坐标；h为线路基线高；（5）从找到所述疑似扣件所在帧开始，统计所述疑似扣件所在帧后续50mm内是否均满足nPt大于设置阈值的条件，若满足则该帧为轨枕起始帧F1；（6）从当前轨枕起始帧开始，假设第一个不满足条件帧位置为轨枕结束位置，从该位置开始，若后续100mm内所有帧均不满足条件，则该帧为当前轨枕的结束位置F2，则轨枕起始帧F1和所述当前轨枕的结束位置F2为当前轨枕的起始帧和终止帧，获取起始帧时间T1和终止帧时间T2，根据时间从POS文件中找到最近的POS坐标数据P1和P2，根据将最近的POS坐标数据P1和P2投影到所述轨道的里程中心线上，获取起始里程M1和终止里程M2，同时根据起始帧时间T1和终止帧时间T2，从最近的POS坐标数据P1和P2中获取GNSS位置信息；（7）从结束帧F2开始继续按照（3）-（6）的顺序逐帧遍历，记录满足条件的开始和结束帧，并将其设置为轨枕位置，直到点云结束位置；S44，获取多个接触网杆相关数据，包括：（1）采用人工交互的方式，在所述三维激光点云中提取每个接触网杆的中心点；（2）基于所述每个接触网杆的中心点计算每个接触网杆的相对里程校准数据和三维坐标数据；（3）根据所述相对里程校准数据获取绝对里程校准数据；（4）根据三维坐标以及POS数据获取该点的GNSS位置信息；S45，制定台账，包括：基于所述相对里程校准数据、所述绝对里程校准数据、轨枕数据以及接触网杆数据制作全线台账数据，将现场里程、接触网杆、轨枕和GNSS位置信息关联起来，既有线检测数据基于现场里程、接触网杆、轨枕和GNSS位置信息进行定位。 2.根据权利要求1所述的一种基于三维移动扫描系统的既有线状态综合分析方法，其特征在于，所述高精度三维移动激光扫描系统包括断面扫描仪、线结构光扫描仪、激光惯导或惯性测量单元、可量测影像装置、GNSS板卡、同步板和工控机；其中，所述工控机用于控制断面扫描仪、结构光扫描仪和激光惯导或惯性测量单元对钢轨进行精细扫描以及对既有线全线路数据进行快速采集；所述断面扫描仪和所述线结构光扫描仪均用于获取原始点云数据；所述激光惯导或惯性测量单元用于获取惯导数据和GNSS数据；所述可量测影像装置用于获取编码器里程数据。 3.根据权利要求2所述的一种基于三维移动扫描系统的既有线状态综合分析方法，其特征在于，所述线形设计调整检测包括：平曲线设计检测、纵曲线设计检测和线形调整检测；所述轨道几何状态检测包括：几何形状、尺寸和空间位置的几何参数检测，通过轨道特征点的坐标位置来描述，具体包括轨距、高低、轨向、超高、水平和三角坑，采用非接触测量惯性基准法，最终生成轨道结构三维点云后进行检测；所述扣件检测包括：扣件识别、扣件性能检测，所述扣件性能包括：弹条离缝值检测、弹条歪斜检测和扣件病害检测；所述轨面病害检测包括：基于采集的钢轨线结构激光数据进行轨面病害检测；所述廓形磨耗检测包括：按照指定间距获取指定帧号四个结构光原始数据，根据标定参数，将四个结构光数据拼接成左右钢轨数据，然后分别对左右钢轨数据进行分析，基于Savitzky-Golay平滑法对钢轨顶部点云数据进行滤波平滑，基于阈值分割将单边钢轨点云分割为轨头点云和轨腰轨底点云，将轨腰轨底点云作为起始点集P匹配设计钢轨的标准点集Q，采用ICP匹配算法自动计算出旋转平移矩阵，根据计算得到平移矩阵和旋转矩阵，对轨头部分点云施加相同的的旋转平移变换，将变换之后的点云与标准轮廓的轨头点云进行匹配，计算总磨耗＝垂直磨耗＋1/2侧面磨耗；所述限界检测包括：（一）导入加载需要进行限界检测的轨道中心线L，包括：如确定所述限界检测为轨道设计前则导入加载所述轨道的里程中心线；如确定所述限界检测为轨道精细设计则导入加载调整后的轨道设计中心线；（二）基于所述轨道中心线L，按照4mm的间距等间隔分割L线，得到系列点 ，n为分割后的顶点个数；（三）以每个顶点P为原点，以后一个点与当前点为方向向量，构建自定义坐标系，其具体描述为矩阵M；（四）设置断面厚度T，断面长度D， 断面高度H，在自定义坐标系下，包围盒描述为则包围盒描述为式（13）： （13）；将点云都转换为自定坐标系，并过滤出在包围盒内的点云数据；（五）将断面点云数据与限界框数据都按照轨道中心进行匹配，统一两个数据坐标系；（六）通过点在多边形范围内算法，若有连续点落入限界框内，则认为该地方侵限；所述工电设备检测包括：（一）采用人工交互的方式，在三维激光点云数据中获取关键附属设置的中心坐标P，计算点P与里程中心线的垂直交点P1，进而获取该点的里程；（二）所述关键附属设置的中心坐标P与所述里程中心线的垂直交点P1的平面距离则为该特征点的水平距离，所述关键附属设置的中心坐标P与所述里程中心线的垂直交点P1的Z坐标差值的绝对值则为该特征点的垂直距离；（三）依次获取整个检测线路的所有关键附属设施的里程、水平距离和垂直距离；所述既有线线形精细设计检测包括：（一）基于所述轨道几何状态检测的检测数据，计算出轨道质量指数，根据规范要求判断出当前线路哪一段轨道是否需要进行设计养护，只对需要进行设计调整的轨道进行设计；（二）对需要进行设计养护的轨道进行设计，并将按设计调整后的平曲线数据和纵曲线数据导入，重新计算工电设备的水平距离和垂直距离，查找并记录工电设备的水平距离和垂直距离超过设计值的情况，则并步更新当前查找超限工电设备位置的平曲线和纵曲线；（三）按照所述限界检测的方法，对检测数据进行限界检测，查找出当前侵限位置，若无侵限则无需调整设计线形；若顶部有侵限，则更新调整后得平曲线，若左右有侵限，则更新调整后的纵曲线；（四）对每段轨道进行步骤（一）-步骤（三）的处理，得到最终整条线路的设计调整数据；所述基于所述多项检测分段输出既有线综合检测图和综合评估钢轨状态包括：（一）基于计算得到台账数据和线路设计调整数据及各项检测病害数据；所述线路设计调整数据及各项检测病害数据包括扣件检测病害数据、轨面检测病害数据、廓形磨耗异常数据、侵限数据以及工电设备数据；（二）将线路设计调整数据及各项检测病害数据矢量化，并将矢量化数据与点云数据叠加管理；（三）按照全线数据每2.4KM进行分割出图，站区单独成图；（四）每份分割数据按照每类检测病害数据进行评分管理，最终得到每个2.4KM既有线路数据的状态评分，指导养护管理。 4.一种基于三维移动扫描系统的既有线状态综合分析系统，用于实施权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，包括：数据快速采集模块（101）,用于基于高精度三维移动激光扫描系统对钢轨进行精细扫描以及对既有线全线路数据进行快速采集；外业数据采集模块（102），用于通过外业采集的方式采集外业数据；融合配准解算模块（103），用于基于对所述原始点云数据、惯导数据、GNSS数据和编码器里程数据的数据预处理和融合配准解算获得钢轨局部点云数据和全断面大场景的点云成果；里程校准台账建立模块（104），用于基于所述钢轨局部点云数据和全断面大场景的点云成果建立线路全线里程校准台账，所述线路全线里程校准台账中包含的台账信息包括里程、轨枕、接触网杆和GNSS位置中的一项或多项；检测评估模块（105），用于基于所述线路全线里程校准台账以及扫描数据进行多项检测，并基于所述多项检测分段输出既有线综合检测图和综合评估钢轨状态；所述多项检测包括线形设计调整检测、轨道几何状态检测、扣件检测、轨面病害检测、廓形磨耗检测、限界检测、工电设备检测以及既有线线形精细设计检测。 5.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有多条指令，所述处理器用于读取所述指令并执行如权利要求1-3任一所述的方法。 6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有多条指令，所述多条指令可被处理器读取并执行如权利要求1-3任一所述的方法。