三維激光掃描技術支持下的地鐵工程測量實施方法

施秋劼

（北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101）

一、三維激光掃描技術

（一）系統原理

目前，三維激光掃描技術發展速度比較快，所涉及的應用學科比較多，有著較強的學科應用優勢。但是傳統的工程測繪技術相比，三維激光掃描技術在工作模式上有著一定的差異性，該技術的應用能夠完成大規模范圍內的數據采集，進而獲得三維空間坐標數據，提升測量的精準性。三維激光掃描技術是掃描儀通過發射高頻激光脈沖，測量每個激光脈沖從發出經被測物體表面返回儀器所需的時間差來計算距離S，同步測量每個激光脈沖橫向角度值α 及縱向角度觀測值θ，以儀器中心為坐標原點，按下式可計算出采樣點的三維坐標：

在運用該技術的過程中，在考慮測量點三維空間坐標數據準確性時，工作人員要先明確測量點至設備之間的實際距離，同時還要注意，在對相同的測量點進行不同方式的測距時存在不同的精度。因此，工作人員務必要深入探析該技術的系統原理，以便優化選擇最適合的測距方式，有效提升設備測量精準度。

（二）數據結構特點

通常情況下，三維激光掃描技術是利用直線數據采集方式進行數據采集，具備一定的次序關系。通過掃描獲得云數據構成像素點，具體的排列方式主要是根據矩陣的方式進行依次排列。在市政道路工程中應用三維激光掃描技術，既能夠獲得目標區域內的相關信號，同時還能夠獲取相關的激光反射強度信息、顏色信息以及空間坐標等，以此明確更加精確的掃描數據。一般情況下，數據是通過保存為純文本TXT的格式進行儲存的，該技術的應用能夠在獲取相關空間數據時體現出密度高、數據量大以及立體化的特點。除此以外，工作人員應建立三維數字模型，經過相關的數字處理評估流程，充分發揮在數據采集工作中的應用價值。

二、三維激光技術在工程測量中的應用分析

（一）測繪地形圖

現如今，三維激光掃描技術廣泛應用于道路工程地形圖測繪中，在開展道路工程測繪工作的過程中常常受到一些條件的限制，包括交通復雜、車流和人流眾多等，盡管測繪人員能夠在實地開展測繪工作，但事實上對于自身安全有著極大的隱患。而三維激光掃描技術的應用能夠代替人工實地測繪，高效地完成道路地形的測量以及繪制工作，此舉對于減輕人工的壓力，降低人工成本有著重要

意義。道路工程地形圖測繪中三維激光掃描技術的應用主要可以分為三個步驟，首先是用三維激光掃描進行測量，進而獲得相應的數據，其次是針對數據開展相應的處理工作，最后便是將地貌提取出來，便能夠獲得較為精確的地形圖。

（二）道路工程等高線生成

三維激光掃描技術的應用能夠助力道路工程等高線的生成，主要便是在原有的地形圖上去除掉一些無關緊要的建筑以及植被等地物。以往在獲取道路工程等高線的過程中，通常都是采用自動以及人為的方式將無關地物除去，進而得到相應的地貌圖，在完成數據計算工作之后，上傳以及處理，周而復始，便可最終在構建不規則三角網的基礎上獲得相應的等高線。三維激光技術相比上述傳統的等高線獲取方法具有更多的優勢，包括精準度更高、工作量更少，所得出的地形地貌更加清晰。

（三）計算土方工程

土方工程中目前最常用的測量方式就是三維激光掃描技術。之前常用的測量方式有全站儀、GPS 等等，通過這些技術獲取目標地面高程的差異信息，從而通過數據建立TIN 模型，最終計算出土方量。采用這些傳統的技術采取的數據精確度低，而消耗時間長，實際采樣的間隔大。然而三維激光技術的應用，能夠使得數據精確度高，時間少，工作效率大大提升，保證土方工程的計算結果的準確度。測量過程中，首先需要構建基準面，使工程項目的坐標系與真實數據相匹配，從而構建好三角網模型，與基準模型相減，最終得到土方量的準確數據。三維激光掃描技術在土方工程計算中發揮著重要的作用，能夠打破傳統的測量方式，避免出現錯誤，從而大大提升工程項目建設的效率，還能降低成本，為建設工程帶來經濟效益，這是我國土方工程中的一重大突破性進展。

（四）道路工程變形監測

將三維激光掃描技術應用于道路變形監測中，能夠構建起更加系統的道路三維數據模型，針對整個道路開展周期性掃描工作，進而獲得點云數據，同時通過設備內部處理器的應用，將相關數據導入到Geomagicstudio 內，可以建立起更加具體的三維數據模型，高效開展數據采集、處理以及評估等工作。在進行數據采集的過程中，將三維激光技術設備安置在所要勘測道路的周圍，確保測量視野的開闊性，在道路周圍設置六個數據采集點。在進行數據處理過程中，工作人員主要從以下三方面入手，首先對于點云數據的拼接和糾正，其次是點云數據的濾波過程，最后是數據的縮減過程。針對點云數據開展與處理的工作中，大多是運用人工的手段刪除多余的測量點，然后需要分析點云數據的誤差，依據誤差理論展開探究。

（五）構建三維模型

三維激光掃描技術還應用到了文物保護工作中，它能在不觸碰文物的情況下進行測量，從中獲取相關的云數據，根據反饋的數據模型，構建出精確三維形狀，還原文物的基本特征和文物的紋理特點，為文物的保護起到重要的作用。

三、三維激光掃描技術在實際工程中的應用

（一）工程概況

深圳市城市軌道交通14 號線沙湖站位于坪山大道與榮昌路交叉口，沿坪山大道東西方向布置，為地下雙層島式曲線車站，與規劃地鐵19 號線通道換乘。車站主體長288m，中心里程為DK38+122.358，車站有效站臺長度186m，車站左線線路中心線半徑為1500m，車站范圍內頂板現狀覆土厚度為2.9～3.2m。車站主體結構采用明挖法施工，主體基坑外圍周長638.781m，基坑深度為17.55m～19.16m，標準段基坑寬度為21.83m，盾構段基坑寬度為26.6m。圍護結構采用φ1000mm@750mm 鉆孔咬合樁，設置三道支撐，采用坑內降水方案。

（二）施測組織

沙湖站車站主體長288m，測量作業前收集了地下控制點數據等資料。為保證測站拼接的準確性，使相鄰測站保持一定的影像重疊度，根據隧道環境和地下控制點分布情況預計共需測量52 站、使用了黑白平面標靶24個。

三維激光掃描遵循相鄰測站使用不低于3 個公共靶球連接的形式，用全站儀獲取黑白平面標靶中心的坐標后進行絕對坐標轉換。本次掃描按每站小于30m 實施，黑白平面標靶距離掃描儀均小于15m。掃描時靶球和平面標靶均保持靜止。

（三）數據預處理

本次掃描共完成52 站，設置平面標靶24 個，共獲取31GB 外業數據。利用公共靶球的高對比度的特性實現掃描影像的定位以及掃描和影像之間的匹配，選取靶球作為拼接的公共參照點，利用TrimbleRealWorks 中的自提目標配準功能并結合手動目標分析器功能利用相鄰測站的公共靶球進行測站配準拼接，使相鄰點云數據統一到同一相對坐標系下；測站拼接完成后導入全站儀獲取的平面標靶中心坐標，以平面標靶中心坐標為基準將獲取的全部點云數據統一至絕對坐標系中；經檢查，各測站最大配準殘差為3.16mm，總體殘差為2.33mm，滿足本次測量的要求。因受測站周邊環境影響，所獲取的點云存在與反射面有關的干擾數據，影響后續的斷面切片擬合的精度。利用TrimbleRealWorks的點云分割工具對點云噪點進行標記分類并剔除，提取屬性相同且臨近隧道壁的點云后進行要素分離和要素識別，然后作為下一步處理的基礎數據。為降低工作站數據處理的負載，優化數據處理的進度，對本次獲取的點云數據按50%的比例進行取樣抽稀后滿足后續獲取該區間任意截面數據的要求。

（四）點云切片提取擬合

以錄入的曲線參數為依據，從相鄰環片拼接處提取點云切片數據，間距為1.5m，共提取1615 個切片數據。點云斷面切片數據提取完成后，對已提取的切片進行擬合，從而得到各擬合點至線路中線的橫距及隧道頂底高程信息，同時可獲取隧道中線的逐樁坐標值。擬合完成后逐步輸出設備限界、管片錯臺、滲漏水等數據。

（五）設備限界處理

廣州地鐵18 號線是廣州首條時速160 公里的市域快線，整列車采用8節編組D 型車。設備限界位于車輛限界外的一個輪廓線，是用以限制設備安裝的控制線。限界的基準坐標系：垂直于直線軌道線路中心線的二維平面直角坐標，橫坐標軸（X 軸）與設計軌頂平面相切，縱坐標軸（Y 軸）垂直于軌頂平面，該基準坐標系的坐標原點為軌距中線點。

將D 型車限界信息輸入數據處理平臺，經軟件自動分析萬橫區間右線各環限界值，共計形成1615 個限界信息數據，統計緊張限界最小值。

（六）管片錯臺處理

盾構法施工小曲率半徑隧道時，掘進施工軸線控制較難，很容易造成盾構偏離軸線以及糾偏困難等問題，影響隧道施工速度及管片拼裝及隧道結構質量。在盾構施工中，盾構管片是盾構施工的主要裝配構件，是隧道的最外層屏障，承擔著抵抗土層壓力、地下水壓力以及一些特殊荷載的作用。盾構管片質量直接關系到隧道的整體質量和安全，影響隧道的防水性能及耐久性能。此類問題會影響隧道走向、凈空，還會引起管片破裂并破壞管片結構，從而給隧道的防水帶來隱患。

將預處理后的點云切片數據輸入至數據處理平臺，將隧道截面等分150 份，自動采集相鄰管片銜接處的點云數據并自動判斷至隧道中線的距離，通過判斷距離差值得出管片錯臺數據。萬橫區間右線獲取共計1615環的管片錯臺數據。

（七）滲漏水成果處理

隧道的滲漏水會導致混凝土的襯砌風化以及剝蝕，襯砌的結構會受到一定程度的影響；隧道的滲漏水會直接軟化圍巖，圍巖因此變形；部分的隧道所滲出的水中含有侵蝕性，一般的襯砌混凝土以及砌筑砂漿都會因此受到相對程度的腐蝕和損害，襯砌的承受能力大幅度的降低；隧道的滲漏水會導致內部潮濕，影響內部的使用設備，包括通訊、照明、鋼軌等設備的正常使用，內部潮濕會降低內部區線路的使用壽命，這樣一來就會增長維修的費用。

將獲取的全部點云數據形成灰度圖像，對于明暗差異較大疑似滲漏水的區域進行系統自動判斷結合人工識別的方式進行統計并量測滲漏水發生的區域及面積。經統計萬橫區間右線共有13 處存在滲漏水情況，滲漏發生面積0.11 m2～10.24 m2不等。

結語：總之，三維激光掃描技術應用前景廣闊，是信息化施工的一個方向，同時也是控制成本的一個新技術。三維激光掃描技術憑借更加便捷、精度高以及準確性強等特點，對于道路工程測繪等各方面工作的高效完成有著積極的促進作用。因此，有關人員要加強對該技術的重視程度，加強在道路工程中的應用，以推動我國道路工程的現代化發展進程。