基于移動三維激光掃描儀的地鐵限界測量分析

劉云峰 董燕 柳志云

摘? 要： 傳統架站式三維激光掃描技術在地鐵限界測量中，存在采集數據繁瑣，點云處理難度高等問題，同時現有的限界分析軟件測量節點稀少。本文針對以上問題，利用移動式三維激光掃描儀，對昆明地鐵某段隧道進行了相對測量。點云數據通過處理，導入專業的限界測量分析軟件，完成凈空差值測量，測量結果顯示，測量區間未有任何超限病害，并快速生成圖文一體檢測報告，驗證了本文提出的地鐵限界測量技術，能夠提供高效、準確、便利的服務。

關鍵詞： 移動三維激光，點云處理，地鐵軌道交通，限界測量分析

【Abstract】： In the metro limit measurement， the traditional station-based 3D laser scanning technology has the problems of cumbersome data collection and high difficulty in point cloud processing. At the same time， the existing gauge analysis software has few measurement nodes. In this paper， based on the above problems， a mobile 3D laser scanner was used to measure the underground tunnel of Kunming subway in relative mode. The point cloud data is pre-processed and imported into the professional gauge measurement and analysis software to complete the measurement of the clearance value. The measurement results show that there is no over-limit disease in the measurement interval， and the graphic and text detection report is quickly generated， which verifies the subway gauge measurement technology proposed in this paper that provides efficient， accurate and convenient service.

【Key words】： Mobile 3D laser; Point cloud processing; Metro rail transit; Gauge measurement analysis

0? 引言

隨著城市交通對地鐵軌道交通的需求增加，其路線也隨之增多，這無疑對地鐵軌道交通的日常運維效率要求越來越高。而在眾多日常檢查項目中，地鐵軌道限界是保證城市地鐵運營安全的重要指標。

目前，國內地鐵限界檢測的方法根據測量方式可以歸納為，接觸式測量、非接觸式測量，根據檢測平臺可以分為便攜式測量、機車牽引式測量[1]。接觸式測量中，應用最廣的是限界檢測車。檢測車通過支架上安裝的限界檢測模板，與侵入限界的建構筑物接觸，引發警報，以達到檢測目的，該方法檢測設備沉重，操作繁瑣，檢測不精準，且每次使用之前需進行變形檢測，以免產生測量誤差。非接觸式測量中，主要有全站儀測量，斷面儀測量，電視攝像測量，地面三維激光測量等。這些檢測方法中，全站儀測量和斷面儀測量數據采樣少，檢測率低，工作效率慢，無法實現高效全面的檢測[2];電視攝像測量是對獲得的隧道斷面圖像進行矯正配準，從圖像中提取隧道斷面的輪廓，但所提取的輪廓需要進行細化及誤差修正，處理過程容易丟失限界信息且產生人為誤差[3];地面三維激光測量具有掃描精度高，速度快等優點[4]，雖然能夠實現全面的限界檢測，但數據采集效率低，外業采集前需進行現場勘查，確定采集方案等，采集過程中無法避免人員遮擋，干擾點云多，數據處理過程中依賴輔助標靶[5]，多站點云拼接存在誤差傳遞，最終影響測量精度。

移動三維激光掃描技術區別于傳統的架站式掃描技術，具有以下特點：一，外業工作快捷高效，無需提前確定采集方案及輔助設備;二，可進行連續測量，直接獲取高精度高密度隧道橫斷面點云，獲取的數據為線性的有規律的海量點集合;三，可避免人員、設備遮擋。

目前，基于三維激光掃描技術的限界測量分析軟件已廣泛應用，如徠卡的隧道形變監測系統、中海達HD 3LS SCENE軟件。現階段只能提取隧道襯砌橫斷面，因此測量分析只在隧道襯砌層面，且只能進行頂高、底高及左右橫距四個點的限界測量[6]，測量內容不全面。針對以上問題，本文基于移動三維激光掃描技術提出高效的地鐵限界測量分析方案。

1? 限界測量內容及作業流程

1.1? 限界測量內容

地鐵限界測量中，主要測量內容分為設備限界和建筑限界[7]。設備限界位于車輛限界外，是車輛限界外加未計及因素和安全間距的界限，測量對象為架設在隧道內部的機車運行輔助設備、電力通訊線，安全檢測臺等構筑物，在橫斷面中呈規則多樣圖形。建筑限界是位于設備限界外，并考慮了沿線設備安裝后的界限，測量對象為沒有設備覆蓋的隧道襯砌壁，呈規則圓形或橢圓。

1.2? 作業流程

本文利用安伯格GRP 5000移動檢測系統，結合點云預處理軟件和限界測量分析軟件，建立了基于移動三維激光掃描技術的地鐵限界測量作業流程。該作業流程分別在點云預處理、限界測量分析中，應用了Geomagic studio15.0和Ambeg Tunnel Rail2.0軟件。具體作業流程如下。

2? 點云數據采集

本文的外業數據采集，無需獲取控制點和輔助標靶架設，只需在Ambeg Tunnel Rail2.0軟件中創建工程文件，進行項目名稱編輯、預構隧道輪廓、輸入起測里程及終點里程等操作，并將工程文件載入檢測系統。現場架設儀器時，需確保雙輪處于右手側，以里程增大為前進方向，避免里程測量發生錯誤。

使用GRP 5000檢測系統對昆明地鐵某站區間進行相對測量，起測時對準起測里程標記，根據測量方式，選擇連續測量工作模式，沿軌道做動態測量，速度控制為25 m/min，數據采集速度為5萬點/秒，單點測量精度為±3 mm，滿足限界測量的精度要求。檢測系統主要組件如圖1，2。

3? 點云數據預處理

外業采集完畢后，將數據輸出為ASC格式。連續測量工作模式決定了得到的點云數據是沒有重合

的數據[8]，同時，獲取的點云數據無需進行坐標轉換和全局拼接等操作，避免了數據在轉換拼接過程中造成的誤差。GRP 5000系統利用光電計數器獲取測量小車的里程數據，里程分辨率為±5 mm，測量誤差小于0.5%。雖然海量點云數據的管理算法已不斷優化，但點云處理過程中，消耗時間和點云數量仍呈線性相關[9]，因此，GRP系統在數據采集時，間隔5 m自動存儲一個數據文件，在數據預處理過程中，可根據硬件設備的條件，直接使用Geomagic studio選擇合適的文件數量進行合并。

3.1? 點云去噪

利用該測量系統進行數據采集時可以避免人員設備遮擋，因此無需剔除干擾點云，省去補點操作[10-11]。本文使用Geomagic studio 15.0對點云進行粗差點、離群點的剔除，數據處理過程快速高效，剔除效果如圖5，6所示。

3.2? 數據壓縮

由于儀器采集數據速度快，造成獲得的數據中冗余的點云成分大，影響工作效率，需要對其進行

壓縮，同時保留點云幾何特征[12]。本文根據隧道點云的特點，使用Geomagic studio采用統一采樣法對數據進行壓縮，該方法可減少平坦區域內的點數，但保留高曲率區域內的點以保留細節。采樣間隔設置為5 mm，由于是隧道點云，因此優化方面曲率優先，同時選中保持邊界選項。壓縮前，樣本為8365277個點，壓縮后為2891805個點。

3.3? 點云精度分析

點云去噪壓縮的目的是剔除粗差，去除對后續應用分析無關的點云，使點云更加精簡和準確，以保證曲線擬合的正確性和對數據信息進行精確的測量。因此，本文使用Geomagic studio對預處理后的點云采用主成分分析法[13]，判斷預處理后的點云整體精度。通過統計分析，結果顯示點云間最大偏差距離為0.010 m，平均偏差0.0005 m，標準偏差0.00083 m，去噪精簡后的點云整體精度在1毫米以內，對測量結果的影響可以忽略不計。

4? 限界測量分析

在不同的測量應用中，對于隧道橫斷面的分析各有不同，變形監測、竣工測量等均以隧道襯砌橫斷面為測量分析對象，所需提取的橫斷面為簡單的圓或橢圓，而限界測量的分析對象為設備限界和建筑限界，所需提取的橫斷面包括設備和建筑，圖形結構復雜。本文使用的隧道限界分析軟件能夠完整提取所需橫斷面，并以機車限界為基礎，自動測量橫斷面距機車限界節點最近的點間距。如圖8所示。

4.1? 橫斷面提取及疊加分析

預處理后的數據導入Ambeg Tunnel Rail2.0軟件，可根據項目需求設定橫斷面提取密度，本文設置間隔5 m提取一個隧道橫斷面。

該測量系統采用獨創的軌頭智能識別技術。掃描儀原點距不同的軌道中心軸線對應有不同的常數定值，Tunnel Rail可根據該常數值及實測軌距自動計算隧道橫斷面的軌道基準點，機車限界與隧道橫斷面根據所得軌道基準點進行疊加。

導入DXF格式的機車限界文件，以軌道位置為基準，將機車限界和提取的設備限界與隧道限界進行疊加，以機車限界節點為檢測對象，測量與之最近的點間距，相較于以往限界測量軟件僅測量頂高、底高及左右橫距，本文所使用的軟件更符合限界分析需求。

4.2? 一鍵生成測量報告

限界測量分析完畢，軟件支持一鍵生成圖表檢測報告。書面報告內容包括測量單位，測量里程，軌距，測量線路，測量區間，里程范圍及其他測量信息。圖像中顯示，設備限界和建筑限界所有距機車限界關鍵節點最近的點間距，如圖9所示。

5? 結論

利用移動三維激光掃描儀對隧道斷面進行連續測量，沿里程方向以25 m/min的速度自動采集存儲斷面，將點云數據預處理后，提取高精度斷面圖形。將機車限界導入軟件中進行疊加分析，通過軟件計算得到隧道限界的凈空差值，通過對隧道前后三次復測，測區均未發現侵限現象。

本文提出的地鐵限界測量技術已經用于實際地鐵隧道限界檢測項目，為隧道的安全檢測，以及維護管理提供了高效可靠的檢測和分析手段，區別于以往測量方案，本文提出的限界測量技術方案增加了設備限界測量，測量節點更多，測量內容豐富詳實。總的來說，該技術方案利用移動三維激光掃描儀，結合免費的三維激光點云處理軟件及專業的隧道限界分析軟件，在提高作業效率的同時，更為直觀的展現了限界測量情況，并快速生成圖表一體的限界檢測報告。在本文的數據處理基礎上，還可以進行后續的隧道病害檢測，隧道變形分析等。

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