高鐵工程測量中三維激光掃描技術的應用

高磊

（中鐵十二局集團第二工程有限公司測量大隊，山西 太原 030032）

新時代，城市化進程不斷加快，人們出行需求不斷增加，這為高鐵工程建設行業帶來了新的發展機遇。高鐵工程工期較長，施工環節與內容較為復雜，致使工程建設難度較大。而測量工作是高鐵工程施工中的關鍵環節，信息化時代，傳統工程測量方式已難以滿足工程建設實際需求與社會時代發展要求，三維激光掃描技術的運用已成為必然。三維激光掃描技術所得測量數據誤差極小，數據更加精準，且可以同時測量多個點位，大大節約了工程測量時間。因此，相關人員應當積極探索實踐三維激光掃描技術運用新路徑，以切實彰顯三維激光掃描技術的獨特優勢，保障高鐵施工建設活動的順利開展。

1 三維激光掃描技術的概述

三維激光掃描技術即激光掃描儀技術或激光雷達技術，是現階段一種較為先進的測量手段，其高精度、無接觸、迅速等特點主要體現在其在實踐過程中，利用激光掃描儀設備，通過發送與接收激光光束與激光信號進行遠距離測量。這一技術能夠實現對物體表面大量點云數據的精準捕捉，并以三維坐標系為依托，對目標物體的三維形態進行構建。在三維激光掃描技術運用過程中，激光束能夠十分迅速地對目標物體進行橫向與縱向方向的掃描，并通過測量與反射回來的激光光束的實踐與角度數據信息對每個點的三維坐標進行精準計算。這些三維坐標點形成了“點云”這一數據集，其中囊括了詳細的目標物體表面相關幾何信息。之后，通過分析與處理點云數據，能夠實現目標物體三維形態的重建、形狀、提取、體積計算等操作。三維激光掃描技術相較傳統測量技術而言，具有高效快捷、精準度高、零接觸、全方位測量等優勢，因此，在建設行業得以廣泛普及運用。在高鐵工程建設中，利用三維激光掃描技術能夠迅速獲取大量且精準的軌道、隧道、車站等建筑物的幾何數據，為高鐵工程建設提供準確且可靠的數據支撐。新時期測繪領域不斷創新技術，在技術支持下，各種工程修筑獲得了有效支持。三維激光掃描技術的誕生為基建項目建設提供幫助，該技術配合多種測繪儀器功能，融合先進技術手段，將其利用在高鐵工程測量方中，具備顯著優勢：（1）精準度高，提高生產作業的效率，在工程作業中測量速度每秒可達50cm，將其使用在大型工程修筑中，可縮短人力與材料投入，實現項目的精細化管理；（2）測量點分布較為密集，有500 余個采樣點分布在每個斷面中，所測量信息具有較強的全面性，基本上實現了對目標物體的全方位測量。可在環境復雜下完成測繪生產可在作業面較大的工程項目中生產，與特殊作業環境適配程度較高，技術十分靈活；（3）斷面測量間隔可以依照實際情況進行設置，與工程項目實際情況更為契合，更能滿足工程建設實際需求；（4）所測量結果覆蓋范圍較為全面，成果數量較多，能夠獲得任意間隔得多斷面圖，能夠在隧道表面測量激光影像；（5）測量結果可以運用在諸多方面，能夠為線路侵界、裂縫、管片錯臺等工程建設環節提供有價值的參考；（6）能實現無損檢測，即便在危險系數高的環境下測量也可以實現，為施工人員生命健康安全提供堅持保障；（7）在儀器假設方面具有較強的自由性，與傳統測量儀器相比，如全站儀等，無須進行對中操作，也就是說，在測量過程中不會出現對中誤差，且儀器架設受環境因素影響較小，架設地點可依照實際需求靈活變動。

2 高鐵工程測量的特點

（1）三網合一。該技術的使用可以為高鐵三網合一的功能實現奠定基礎。高速鐵路工程測量實踐融合施工控制網、軌道控制網以及勘測控制網三個方面，施工管理、高鐵基建環節都需要充分考慮三者。因此，在高速鐵路的施工階段，施工控制網、軌道控制網以及勘測控制網三者均發揮著不同效用，實現三者的有效融合，是作業中的關鍵。三網合一的實現，讓基建生產的勘測、施工與維護有序進行，確保不同的三個階段作業有效開展，讓測量工作切實、可靠進行。三網合一的實現需要依照CPI 基準來實現，在施工過程中，充分做好施工控制網、軌道控制網以及勘測控制網的分析，通過有效的測量手段，以二等、三等水準基點網搭建高程控制網。

（2）三級布設。高速鐵路工程對軌道的幾何線形要求非常高，控制標準需要精確至毫米級，這對測量提出更多要求。測量控制網既要滿足精度控制，同時也要滿足施工的要求，而且也要為高鐵的軌道鋪設奠定基礎，這導致測量作業要足夠精細，否則，將會導致高鐵基建修筑出現問題。在測量、設計方面，將誤差控制在高鐵工程相關制度所規定的最小范圍之內，最大化保證二者的統一性。高程和位置在空間環境中的表現是高鐵軌道幾何尺寸呈現的載體，周圍建筑物將直接影響其功能的發揮，進而直接影響后期施工。進行測量的時候，需通過對相應空間坐標進行定位。學術上稱為軌道的絕對定位，具體是指測量軌道的外部幾何尺寸，可以借助不同級別的高程控制網來控制尺寸。滿足尺寸要求，后續的線下車站站臺、鐵路隧道、路基、橋梁的空間位置才應該被保證，確保其與軌道相匹配。部分對等級較高的控制網，一次修筑完成需要消耗大量資金，投入較多，但效益卻不能一次性保障。因此，測量控制網的建立，需要以長期為準則，堅持層次化控制原則，劃分為不同等級，有序開展。建議將基礎平面控制網作為第一等級，線路控制網作為第二等級，軌道控制網作為最后一個等級建立起平面控制網，這對后續維護、保養工作都有極大幫助。

（3）獨立性的工程坐標系。高鐵工程的測量精度非常高，作業過程中借助坐標反算來確定邊長值與實測值之間的對應關系，以確保尺度的一致性。由于作業的特殊性，地面測量的時候測量數據投影至平面必將會產生相應的形變。以用國家投影坐標系統為例，工程測量時，其邊長投影的最大變形值每公里可能達到34 厘米，這會嚴重影響高鐵工程施工作業。因此，在工程測量的時候需要控制好精準度，通常可以根據獨立的工程坐標系來修正精度，如利用獨立的工程坐標體系來修正投影所產生的誤差，將其控制在每公里10mm 范圍內，從而確保全站儀設備的測量精準度。

（4）利用相對定位與絕對定位提高測量精度。高鐵工程測量定位過程中，傳統方式的利用絕對定位導致實際施工現象與設計存在較大差別，為施工建設帶來極大不便。當前，高鐵工程測量所使用的是相對定位的方式進行軌道鋪設，通過相對定位，解決軌道短波不平順的問題，但這種方式不能有效處理長波不平順問題。部分曲線半徑較大和彎道較長的高鐵工程軌道鋪設施工作業中，利用相對定位的方式作業，會增加作業難度。為保證工作順利完成，通常需要將兩者進行結合，利用相對定位與絕對定位從根本上解決軌道作業情況。

3 三維激光掃描技術在高鐵工程測量中的應用

3.1 工程概況

獨立控制網具體工程部位里程分段：工程名稱：保康隧道，起點里程：DK500 ＋204 ～DK513+980，長度(m)：14570。ZWZQ-7 標段起點里程DK497+645 ～DK531+850，線路長度34.985km。標段主要包括特大橋2954 延長米/3 座；大橋467 延長米/2 座；隧道31180延長米/4.5 座。

3.2 采集與處理基礎性數據

在三維激光掃描技術運用過程中，首先，應當依照高鐵工程測量實際需求來掃描參數，結合項目需求來進行測量。在項目施工建設過程中，利用中等速度與質量開展測量工作，掃描參數進行設置，將質量設定為4X，以1/5 作為分辨率，將每個站點的測量時間控制在395s左右。其次，合理擺放儀器設站以及標靶球。LeicaP40三維激光掃描技術在一定范圍內測量有效，為確保精準度，相鄰測站之間距離控制在30m 內。實踐過程中測站兩端需擺放數量不相等的標靶球，以區別測量范圍，一般標靶球數量要大于3 個，不能在同一平面內，如此才可以更好地參考。測量完畢后的數據處理為：（1）點云拼接及噪點處理，三維激光掃描技術配置數據處理軟件，利用點云數據處理軟件進行拼接；Cyclone 軟件可以處理掃描中的噪點，進行的刪除、加工；（2）接下來構建三角網模型，作為數據處理環節的重點與難點，作業內容中，技術人員借助Geomagic軟件進行參數篩選，將處理好的數據進行導入，進行三角網模型的構建，并將其與全站儀測量的數據進行對比分析，以評估三維激光掃描測量精準度。測量數據的精準度可以成為后續作業的關鍵，借助明確三角網模型，讓高鐵工程施工有精準的測量參考。因此作業環節，三維激光掃描技術獲取的測量結果與全站儀所獲得測量結果之間誤差上下幅度不超過22mm；（3）中心線提取與斷面輸出，中心線的提取需結合隧道區間的模型，并以每間隔2 個環片為標準，輸出隧道中心線的法線方向上的斷面圖，要求輸出的斷面圖需采取DWG 格式。結合本項目內容，在實踐過程中，對起點里程DK497+645 ～DK531+850 的平面坐標進行計算，后續進行輸出。需要通過軟件將車行軌跡準確快速的提取出來,并進行編輯和修正；（4）測量半徑，利用CAD 軟件輸出三維模型，并以斷面圖的中心點位為基點，從正上、正右、正左、左45°、由45°這5個方向進行半徑的測量。

3.3 測量軌道與線路

測量高鐵與軌道線路是保障高鐵安全、平穩運行的關鍵環節，在傳統軌道過程中，所使用的測量方式往往需停運高鐵列車，之后由專業人員利用傳統儀器對軌道進行測量，這不僅需消耗大量的人力、物理與時間，還極易導致高鐵運營延誤。而利用三維激光掃描技術能夠在高鐵正常運行的情況下對軌道線路進行測量，三維激光掃描技術能夠迅速獲取高鐵軌道的幾何參數、線路走向與高程等信息。通過三維激光掃描技術的運用能夠促進軌道線路測量工作高精準、高效率測量，為高鐵平穩運行與軌道維護提供堅實數據支撐。在實際測量過程中，三維激光掃描技術能夠全方位獲取軌道的幾何特征，包括軌道的水平曲線、橫向曲線、垂直曲線等參數，這些數據能夠為軌道安全性評估與維護提供依據，便于工作人員技術發現軌道的變形與幾何偏差等問題。同時，三維激光掃描技術還能夠獲取線路的點云數據，進而建立線路的三維模型，明確線路的走向與站點位置，為高鐵線路規劃與設計提供重要參照。

3.4 獲取車站建筑物形態

高鐵車站是乘客乘坐高鐵出行進出的重要場所，其建筑物形態與結構對于乘客進出與站內空間布局有著重要影響，利用三維激光掃描技術能夠迅速獲取車站建筑物的三維形態與結構信息，如扶梯、墻面等，全面捕捉車站建筑物幾何特征，為車站的設計與規劃提供詳細的數據支撐。在實際運用過程中，為避免對高鐵運營造成影響，可以利用三維激光掃描技術非接觸這一特點，在車站外部對目標物體進行非接觸式掃描與測量，通過快速的數據信息采集，可以在短時間內獲取車站的三維形態數據。在車站內部信息獲取方面，可以利用三維激光掃描技術對車站內部空間進行掃描，虛擬仿真車站人流量，對車站空間內部進行詳細分析，革新內部空間布局與導向，以為乘客出行帶來便捷。另外，相關人員也可以利用三維激光掃描技術動態化監測車站建筑物的結構變化與損傷，探尋車站中存在的潛在安全隱患，以保障車站建筑物的結構安全與穩固性。

4 結語

綜上所述，三維激光掃描技術在高鐵工程測量中發揮了巨大的價值，其所獲取的數據信息精準度較高，對高鐵工程建設有著重要參考價值。在高鐵工程測量過程中，可以利用三維激光掃描技術進行采集與處理基礎性數據、測量軌道與線路、獲取車站建筑物形態等工作，以實現高鐵工程的數字化建設，為高鐵安全平穩運行提供堅實的保障。