三維激光掃描技術在地鐵隧道調線調坡測量中的應用研究

高帥，馬全明，符新新，任干

(1.北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101； 2.城市軌道交通深基坑巖土工程北京市重點實驗室，北京 100101)

1 引 言

近年來，越來越多地區出現盾構成型線路偏離原設計的現象。為了滿足后期軌道鋪設等要求，設計人員需要對成型隧道進行調線調坡處理。在對其進行調線調坡時，如何快速準確獲取成型隧道的斷面數據成為技術人員面臨的考驗。常規測量方法作業效率不高，且成果僅為特征點數據擬合所得，精度上存在誤差，而三維激光掃描技術以其測量快速、點云密度大等特點，則可以解決這些不足。

基于此，本文結合工程實例，將三維激光掃描技術應用到調線調坡測量工作中，簡單介紹了技術原理以及數據獲取和數據處理過程。通過對比分析得出該技術的應用是可行的，測量精度能夠滿足相關規范要求。因其高度自動化的作業模式，不但可以大大提高測量的作業效率，而且掃描獲取的隧道點云數據，可以為后續隧道的數字化建設等大量工作提供數據基礎，避免了重復繁雜的數據采集工作，是實施全方位隧道維護戰略、提高隧道設施維護經濟效益的有力保證。

2 三維激光掃描技術簡介

三維激光掃描儀通過發射和接收的激光束測量物體，利用激光束中心點來定位，計算出每個點的三維坐標。大量的點形成三維點云，直接將各種大型的、復雜的、不規則等實體或實景的三維數據完整地采集到電腦中，經過建模，構建出目標的三維實體模型，技術原理如圖1所示。

圖1 三維激光掃描原理示意圖

3 技術設計與外業數據采集

3.1 技術設計

地鐵隧道調線調坡測量的工作主要分為外業數據采集、內業數據處理兩大部分，外業數據采集包括現場踏勘、測量控制點的收集及參數設置等內容；內業數據處理包括數據預處理、截取斷面、成果輸出、輔助調線調坡等內容，技術路線如圖2所示。

圖2 技術路線圖

3.2 外業數據采集

外業數據采集之前，首先對掃描作業環境進行現場踏勘，然后進行詳細的技術路線設計。外業掃描正式開始后，先在成型隧道有效范圍內布設2個～3個標靶，然后在合適位置架設三維激光掃描儀，調平儀器、設置好參數后，啟動掃描按鈕，進行掃描作業。一個測站的掃描工作結束后，在已有的隧道精密導線點上架設全站儀對標靶進行測量。

4 三維掃描點云數據的處理

外業數據采集完成后，為了獲取有用信息進行處理分析，在內業數據處理過程中，相關人員需要采用配套的軟件對點云數據進行一系列的處理，這其中包括點云的去噪、拼接、斷面信息提取等操作。

4.1 點云數據的去噪

外業采集的點云數據中都會不可避免地存在一些噪聲點云數據，它們明顯遠離掃描對象孤立存在，之所以出現這種現象主要歸結于作業人員及已有設施遮擋的影響。在對點云數據處理分析之前，必須要對其進行去噪處理(結果如圖3所示)，然后利用有效點云數據進行后續的處理及分析。

圖3 去噪處理后的點云數據

4.2 點云數據的拼接

由于在外業數據采集過程中，掃描作業模式選用的是分段設站式，故每站獲得的點云數據是彼此獨立地存儲在各自的坐標系統里面。為了便于后期處理及分析，需要將各站點云數據以通視且重合的標靶點作為依據進行匹配拼接處理，剔除重疊部分統一合并成為一個整體，結果如圖4所示。

圖4 拼接處理后的點云數據

4.3 基于點云數據的斷面信息提取

利用拼接處理后的點云數據，沿著線路前進方向以baseline為基準，每隔 1.5 m(盾構管片寬度)寬度生成斷面切片，如圖5所示。然后利用AutoCAD軟件中相應模塊中導入生成的斷面點云數據資料，按要求提取斷面信息，并記錄成表。

圖5 基于點云數據提取斷面

4.4 成果精度分析

為評定掃描成果精度，以常規測量方法測得的斷面成果作為真值，對其進行檢核。由于現場測量條件的限制等原因，在所提取的857個斷面成果中，有26個斷面明顯存在系統偏差，我們在進行成果精度檢核時需將其剔除不計入精度對比當中，在剩余的831個提取斷面成果中兩種方法測得的隧道中心位置處橫距差值最大為 11 mm，均值為 6 mm；底高差值最大為 8 mm，均值為 4 mm，以 12 mm作為成果對比的限差，則左右橫距合格斷面與底高差合格斷面比例均為100%，說明采用三維激光掃描技術提取斷面數據是可靠的，精度可以保證。

5 輔助調線調坡分析

經對測量成果進行限界分析(如圖6所示)，發現部分區段侵限嚴重，需要對線路進行調整。依據實測的斷面數據擬合出實測隧道中心線坐標，據此計算實測線路中心線坐標，在設計圖中繪出這兩條線，調整原設計線路中心線，使設計線路中心線盡量與實測線路中心線相吻合。線路調整后，將調整量再與實測數據進行復核，初步判斷基本滿足限界、軌道等要求后，將調整后線路參數提交測量單位對該調整區段再次進行測量，根據復測成果再次進行檢查分析，直到滿足設計要求。

圖6 輔助調線調坡分析

6 結 語

本文主要對三維激光掃描技術在地鐵隧道調線調坡測量中的應用進行了研究，筆者從數據獲取和數據處理兩方面進行了詳細介紹和闡述，經外業檢驗，測量成果完全滿足相關規范中對于測量精度的要求，說明該技術在地鐵隧道調線調坡測量中的應用是可行的，同時因其高度自動化的測量作業模式，可以大大減少作業人員的勞動強度。另外，通過三維激光掃描技術獲取了隧道的點云數據，可以根據需要一次掃描多次利用，為后續隧道的數字化建設等大量工作提供了數據基礎，避免了重復繁雜的數據采集工作，是實施全方位隧道維護戰略、提高隧道設施維護經濟效益的有力保證，具有廣闊的應用前景。