利用三維激光掃描儀進行地鐵隧道限界測量

王 敏，馮 晶，謝志海

(1.四川商務職業學院，四川 成都 610076；2.武漢海達數云技術有限公司，湖北 武漢 430223；3.四川基準工程勘測有限公司，四川 成都 610072)

利用三維激光掃描儀進行地鐵隧道限界測量

王 敏1，馮 晶2，謝志海3

(1.四川商務職業學院，四川 成都 610076；2.武漢海達數云技術有限公司，湖北 武漢 430223；3.四川基準工程勘測有限公司，四川 成都 610072)

軌道交通不斷增多及其運行速度大幅提高，無疑對軌道限界檢測的速度和質量提出了更高的要求。如何精確、高效地采集到隧道斷面數據，根據采集的數據自動化地獲取相關參數，并在此基礎上進行相關分析與應用是國內隧道(地下空間)限界檢測目前亟需的解決方案。針對上述問題，本文結合三維激光點云測量技術，提供了基于地面三維激光掃描儀的一體化、智能化隧道(地下空間)限界檢測應用整體解決方案。經驗證，該解決方案數據采集效率高，能夠提取更為準確的斷面數據成果，并一鍵智能地輸出符合工程標準的限界檢測報表。

隧道限界測量；三維激光掃描儀；隧道斷面分析

一、引 言

隧道(地下空間)限界是指列車沿固定的軌道安全運行時所需要的空間尺寸。近年來，我國軌道交通(地鐵、高速)建設得到了迅猛的發展，軌道交通(隧道)工程的竣工驗收、隧道日常運行維護等環節都需要隧道(地下空間)限界這一重要指標。

目前已有多種隧道限界的檢測方法，但這些方法由于各自的局限無法滿足現階段越來越多的隧道限界檢測要求。全站儀配合反射棱鏡或反射標靶進行單點測量獲取隧道橫斷面的方法，采集密度低、速度慢、人工作業量大；近景攝影測量通過影像匹配、定向等攝影測量數據處理步驟可以較快速地獲取隧道三維模型，但是攝影測量對環境光線要求高，使此方法在隧道中的應用受到限制；激光隧道斷面儀可以直接獲取隧道斷面，但其一次架站只能獲得一個斷面，對于長度較長、采集密度要求較高的隧道，檢測耗時較長；隧道限界檢測車可以快速、動態地獲取等間隔隧道橫斷面，但其造價高，只能在鋪軌后才能使用，目前在我國投入使用的數量不多。

三維激光技術區別于傳統的單點定位測量、點線測繪技術以及攝影測量技術，具有以下特點[1]：全數字特征，直接獲取三維點坐標；無須太陽光或光線的特別角度；高精度高密度步進掃描測量；掃描距離長；快速高效獲取數據等。國內外三維激光掃描儀已經被廣泛被應用于文物保護、城市測量等領域，如國外的 Faro三維激光掃描儀，國內的中海達LS300地面三維激光掃描儀。現階段如何精確高效采集隧道斷面數據及智能化進行隧道限界檢測分析應用，三維激光掃描技術是有效的解決之道。本文基于此技術，提出地鐵隧道限界測量分析的高效解決方案。

二、地鐵隧道限界測量基本原理

本文基于三維激光掃描技術，結合相關處理軟件對采集數據進行預處理及隧道限界分析，建立了基于地面三維激光掃描儀的隧道(地下空間)限界檢測數據采集、處理、分析作業流程，提供了專業的隧道限界分析處理軟件，為隧道(地下空間)限界檢測數據采集提供高效率的數據采集手段與智能分析方案。該方案采用武漢海達數云技術有限公司的兩個應用軟件：海達三維激光點云處理軟件(HD 3LS Scene)、隧道限界分析處理軟件。其具體流程如圖1所示。

三、點云數據采集

本文的測量方案遵循國標城市軌道交通工程測量規范[2]。在軌道隧道(地下空間)實際測量中，對于每個測量工程，需要保證兩個以上控制點，并采用傳統的測量方式獲取控制點坐標。此外，在隧道控制點上方架設大靶球，整平對中控制點，用于點云擬合獲取大靶球中心點坐標，便于進行坐標轉換。

圖1 地鐵隧道限界測量技術路線流程圖

使用FaroX330三維激光掃描儀對軌道隧道(地下空間)進行三維掃描，根據隧道半徑設置掃描分辨率，并確定掃描間隔距離，以2.6 m半徑隧道為例，需要每隔15 m設一個掃描測站，設置1/4掃描分辨率，7 min一個測站。此外，在地面掃描儀兩兩測站之間擺設3個以上不共線靶球，保證相鄰兩站可以掃描到，便于進行數據拼接。

四、點云數據處理

基于外業采集的點云數據，本文根據掃描過程中兩兩測站中的靶球可以精確地對多個測站的點云數據進行拼接，設置中間測站為全局參考站，然后使用點云數據處理軟件完成拼接。此外，為了保證點云精度同時去除多余重復點云，本文使用海達三維激光點云處理軟件對點云數據按距離過濾完成去噪。如圖2所示。

圖2 拼接去噪后的隧道點云-按照強度渲染

此時的點云數據為相對坐標，需要通過2個以上大靶球中心點坐標對，計算點云坐標系到大地坐標系的轉換參數(包括平移量和旋轉量)。通過該坐標轉換參數，將點云坐標轉換為大地坐標。至此，完成點云數據預處理。

五、限界檢測分析

在不同的應用中，地鐵隧道限界測量分析要求各異，本文使用的隧道限界分析處理軟件支持多種截面數據提取方式：可以進行對應截面上8：00或10：00方向特征數據的提取。如圖3所示，提取了8個特征點數據，即左上點、左中點、左下點、右上點、右中點、右下點、頂板底標高和地板頂標高。該軟件支持提取指定左右兩邊相對高度位置上下20 mm厚度最不利點，支持提取頂板底標高和地板頂標高中心線左右25 mm以內最內界點，極大地提升了檢測的準確性。

圖3 截面數據特征點示意圖

1.隧道中心線生成

依據行業標準及相關資料，隧道中心線是進行截面控制的基礎，同時其數據精度直接影響到后期點云分析的結果。

首先，通過隧道設計數據，進行隧道中心線基礎數據的獲取，即隧道設計平曲線和豎曲線數據。豎曲線是指縱斷面上相鄰兩條縱坡線相交的轉折處，為了行車平順連接兩縱坡線的曲線；平曲線是指連接直線轉彎處的曲線。

其次，通過隧道限界處理軟件讀取平曲線和豎曲線相關參數，如圖4所示，從而精確生成隧道中心線，如圖5所示。

圖4 隧道限界分析處理軟件界面

圖5 隧道中心線效果示意圖

2.隧道斷面參數設定

如圖4所示，本文使用的隧道限界處理軟件是一鍵智能處理軟件。在操作界面上，可根據不同的項目分析的密度需求，設置相應的斷面控制點。結合上一步生成的隧道中心線數據，可以方便地對截面位置(里程值)進行設置，該軟件支持用戶自定義設置截面密度(如3 m/個)；同時支持用戶批量添加、刪除感興趣的斷面里程值。此外，根據待分析的點云情況，支持用戶自定義設置點云截面裁切厚度及隧道段屬性，如線路名、里程范圍等。如圖 6所示。

圖6 提取隧道斷面點云效果

3.成果報表輸出

一鍵分析處理完畢，支持將最后的分析成果輸出成符合行業標準的表格。各項輸出參數包括里程、坐標、位置、線路中線至左側的橫距、線路中線至右側的橫距，頂板底標高和底板頂標高等，如圖7所示。

圖7 線路橫斷面測量成果

本文作了相關示例分析，根據輸出的成果數據，可以直觀地統計出左側寬度差、右側寬度差、總寬度差，以及誤差差值的情況，如圖8所示，橫軸為截面位置(里程值)編號，縱軸為全站儀實測長度與三維掃描儀實測長度作差值，其中寬度的單位為mm。

圖8 成果數據示例分析

六、結束語

本文提出的隧道限界測量技術解決方案已經用于實際地鐵隧道限界檢測項目，為隧道檢測、監測、維護管理提供高效可靠的檢測和分析手段。總的來說，該解決方案利用地面三維激光掃描儀，結合自主研發的海達三維激光點云處理軟件及隧道限界分析處理軟件進行大數據點云分析，智能地生成隧道中心軸線及進行斷面分析，在提高作業效率的同時提取出了更為準確的斷面成果數據及相關符合行業標準的表格。此外，結合各項成果還可以進行后續的隧道模型構建，以及隧道變形分析和隧道信息挖掘等相關應用。

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Subway Tunnel Limit Survey Based on 3D Laser Scanner

WANG Min，FENG Jing，XIE Zhihai

P234.5

B

0494-0911(2014)12-0078-04

王敏，馮晶，謝志海.利用三維激光掃描儀進行地鐵隧道限界測量[J].測繪通報，2014(12)：78-81.

10.13474/j.cnki.11-2246. 2014.0403

2014-11-17

四川商務職業學院課題(14YKC02)

王 敏(1980—)，女，重慶人，碩士，講師，研究方向為環境藝術設計與藝術設計教育。