基于TLS 技術的城市地鐵工程測量研究

孫冬冬

（北京住總集團有限責任公司土木工程建設總承包部，北京 100029）

1 引言

城市地鐵系統作為一種快速、便捷、大容量的公共交通方式，越來越成為現代城市交通規劃的核心組成部分。 然而，城市地鐵工程的規模和復雜性也隨之增加，對其設計、建設和維護提出了更高的要求[1-2]。 傳統的測量方法在應對這些挑戰時作用有限，難以滿足對地鐵工程高精度、高效率測量的需求。因此，研究以三維激光掃描（3D Terrestrial Laser Scanning，3D TLS）技術為基礎，利用激光束的非接觸性掃描，快速、準確地獲取大范圍的三維點云數據， 旨為地鐵工程提供準確的幾何數據，幫助精確設計、施工和維護，提高整個地鐵系統的運行效率。

2 城市地鐵工程測量中三維激光掃描技術分析

2.1 三維激光掃描技術應用與優勢分析

三維激光掃描技術是一種新型的測量技術， 其利用激光測距和精確角編碼器獲取目標物體的三維坐標。 三維激光掃描技術的基本原理是， 通過激光測距和精確角編碼器測量目標物體的三維坐標。 激光測距儀發射激光束，打到目標物體上后反射回來，通過測量激光束往返時間計算距離。 同時，角編碼器可以精確測量激光束的角度， 從而計算出目標物體在三維空間中的坐標[3]。 與傳統的測量技術相比，三維激光掃描技術具有高效率、高精度、非接觸、數字化、自動化等優點，可以在短時間內獲取大量目標物體的三維坐標數據， 并且可以對數據進行自動處理和分析，大大提高測量效率和精度。 因此，研究將三維激光掃描技術應用于城市地鐵工程測量。

三維激光掃描技術的應用流程包括以下步驟。 首先，選擇測量場景，如地鐵站臺、隧道等。 然后，安裝激光掃描儀器并確保覆蓋整個測量區域。 在掃描過程中， 激光儀器記錄點云數據，隨后進行數據處理、配準，消除可能存在的誤差，再利用處理后的點云數據生成三維模型，將其轉換為可視化的形式。 通過時間序列數據進行結構變形監測，實時發現問題。 比對三維模型與設計模型，監測設備運行狀態，提高設備維護效率。 建立數字孿生模型，整合其他工程數據進行模擬和優化，支持規劃和決策。 進行數據管理與可視化，建立綜合數據庫，生成測量報告，為決策者提供翔實的測量數據支持。

三維激光掃描技術在城市地鐵工程中展現出了多方面的顯著優勢。 首先，其高精度測量能力能為地鐵工程提供準確的三維坐標數據，有力支持工程的精細設計和施工。 其次，相較于傳統方法， 激光掃描技術以高效快速的數據采集速度脫穎而出，有效提高了測量效率。 非接觸式測量特性保護了地鐵結構的完整性，避免了潛在的損傷。 全方位數據獲取能夠覆蓋難以到達的區域，為工程提供更為全面的信息。 實時監測和分析功能使得工程管理者能夠及時響應潛在問題， 提高工程的安全性和可靠性。 此外，支持數字孿生模型的建立，為地鐵系統的規劃和決策提供了有力的工具。 適用于復雜環境的特性使激光掃描技術在各種場景下表現卓越。 最終，其綜合數據管理能力通過整合不同數據源，建立綜合數據庫，為數據管理和可視化提供便利。

2.2 三維激光掃描技術中點云數據處理

點云數據處理是三維激光掃描技術的關鍵環節， 對于提高數據質量、準確性和可用性，以及支持后續的建模、分析和決策過程至關重要。 因此， 研究針對點云數據的處理做出分析。 點云數據處理主要步驟如圖1 所示。

圖1 三維激光掃描技術中點云數據處理步驟

由圖1 可知，點云數據的處理包括8 個步驟。 首先是通過激光掃描儀等設備獲取場景的三維坐標點信息， 然后進行去噪操作以排除干擾點。 隨后，通過濾波方法進一步清理數據。配準步驟用于將不同位置的點云對齊， 以確保它們處于同一坐標系。 特征提取和點云分割有助于識別場景中的有意義特征和分割出相似屬性的子集。 通過三維重建，離散的點云數據被轉換為具有幾何形狀和結構的三維模型。 最后，利用處理后的點云數據進行具體的應用分析。

其中，點云獲取與點云配準為最重要的步驟，點云獲取涉及使用激光掃描儀或其他傳感器來采集環境中的點云數據。點云的獲取質量直接關系到后續處理的結果。 如果獲取的點云數據不準確或者缺乏必要的信息， 那么后續的處理步驟就會受到影響，導致最終的三維模型不準確。 而在不同的掃描位置或者不同的時間點獲取的點云需要進行配準， 即將它們對齊到同一坐標系中。 點云配準的準確性直接關系到最終生成的三維模型的精度。 如果配準不準確，可能導致點云中存在偏差，影響后續的結構分析、模型生成以及其他應用。

針對點云數據獲取， 研究選擇安博格定位法（Amberg Position Method，APM）。 傳統方法通過在掃描儀前后任意擺放3 個以上的標靶球，并使用掃描儀測定它們的三維坐標來實現配準。 然而，這種方法存在布設位置不固定和高程精度相對較低的問題。 相反，APM 定位法采用全站儀與掃描儀結合使用，通過全站儀獲取標靶球與雙棱鏡基座的點位坐標， 從而實現點云坐標在掃描儀內部坐標系與地鐵坐標系的統一。 這種方法提高了外業效率，簡化了工作流程，并通過雙棱鏡的定位基座和球形棱鏡的組合定位， 有效減少了每一站點云掃描數據的系統誤差累積，保證了整體點云的外符合精度。

針對點云數據配準，研究采用全站儀測定靶球中心坐標，掃描儀擬合靶球中心坐標以及坐標轉換的方法， 通過全站儀獲取球形棱鏡的地鐵坐標數據， 然后通過掃描儀擬合靶球中心坐標，最終實現多站點云數據的配準。 具體步驟包括全站儀測定靶球中心坐標， 通過掃描儀獲取球形棱鏡的點云數據并擬合球體，然后利用擬合靶球坐標進行坐標轉換。 全站儀和掃描儀獲取的數據相結合， 通過六參數配準方法計算旋轉平移參數，將所有的點云數據轉換到統一的坐標系下，實現點云數據的統一配準與自動拼接。

3 基于TLS技術的城市地鐵工程測量項目分析

為驗證三維激光掃描技術在城市地鐵工程測量項目中的實用性，研究針對北京市某地鐵站進行測量。 所用設備包括戴爾計算機工作站（2 臺，用于點云數據的處理與分析），全站儀TS60（1 臺，測角精度0.5″，測距精度1 mm+1×10-6D，D 為全站儀實際測量的距離，km），球棱鏡（1 個，配合APM 定位使用），2 m 水準標尺（2 個，用于測量垂直高度），腳架（3 個，用于設備支撐），Faro Focus3D 330 三維激光掃描儀 （1 臺， 測距精度±2 mm，測量距離330 m），APM 定位基座（1 個，用于掃描儀的絕對定位）， Leica 常規棱鏡組 （3 組， 用于反射和定位），Leica 圓棱鏡 （3 個，2 個用于APM 基座， 一個用于全站儀定向），水準儀DNA03（1 臺，精度0.3 mm/km）。

研究開始前，首先進行詳細的現場踏勘，以全面了解地鐵站點的實際情況。 這涉及對地鐵結構及周邊環境的形態、大小和關鍵屬性進行分析，從而確定掃描站點、繪制掃描規劃草圖以及設計最佳掃描路線的整體方案。 踏勘考慮了工作路徑的明確性，以及避免外界因素對掃描作業的影響。 同時，根據實驗要求確定了適當的掃描站點和目標距離。 隨后，布設和測量控制點， 其中包括平面控制測量和高程控制測量兩個主要方面。 在平面控制測量中，采用城市控制點作為測量的起始邊，通過支導線的方式將測量連接車站內的加密點。 高程控制測量則采用二等水準測量， 通過閉合水準路線的方式將測量連接車站內的高程加密點。 表格詳細列出了這些控制點的城市坐標和地鐵坐標， 為后續的掃描作業提供關鍵的基礎。

在實際掃描操作中，需注意明確工作路徑，防止外界因素的干擾，確保掃描站點的均勻分布。 操作中包括儀器的組裝和參數設置，掃描儀和標靶球的安置，以及分站式掃描工作的具體操作。 所有這些步驟和注意事項旨在保證掃描作業的準確性和高效性，為后續的數據采集和分析奠定堅實基礎。 研究共測量40 個地鐵隧道橫斷面，并將測量結果與地鐵建造時的設計數據進行對比，首先計算得出其橢圓度T 值，此指標量化橢圓形狀的偏離程度， 可以反映隧道橫斷面整體的形狀變化情況。 其次將測量結果與地鐵建造時的設計數據進行對比得到擬合度。 具體結果如圖2 所示。

圖2 三維激光掃描技術在地鐵工程測量項目中的結果

由圖2 可知，40 個地鐵隧道橫斷面的橢圓度T 值范圍在6×10-4～1.04×10-2，擬合度均在95.00%以上。表明隧道橫斷面整體呈現出較小的橢圓度變化，且測量結果的擬合度較高，與橫斷面的設計形狀較為接近。 但要注意28 號與36 號等幾個橫斷面的T 值較大，擬合度較低的位置，數據說明這些位置的地鐵隧道橫斷面形變較大，在后續監測測量中應該重點關注，防止出現意外，影響城市地鐵的正常運營。

4 結論

三維激光掃描技術在城市地鐵工程中具有顯著的優勢，包括高精度、高效率、非接觸、數字化、自動化等特點。 研究提出以APM 定位法為基礎云數據獲取方法，以及點云數據配準方法。最后研究針對北京某地鐵站進行實地測量工作。通過詳細的現場踏勘、控制點布設和測量，以及橢圓度和擬合度的分析，測量結果表明，40 個地鐵隧道橫斷面的橢圓度T 值范圍在6×10-4～1.04×10-2，擬合度均在95.00%以上，表明整體呈現出較小的橢圓度變化，且測量結果與設計形狀接近。 然而，一些特定位置的地鐵隧道橫斷面形變較大，擬合度較低，需要在后續監測中重點關注。

綜上所述， 三維激光掃描技術在城市地鐵工程中的應用為工程測量提供了一種高效、精確的解決方案。