三维激光扫描仪在地铁竣工测量中的应用及精度分析

夏春初，王智，张洪德（青岛市勘察测绘研究院，山东青岛 266032）

三维激光扫描仪在地铁竣工测量中的应用及精度分析

夏春初∗，王智，张洪德
（青岛市勘察测绘研究院，山东青岛 266032）

地铁土建施工结束后，需要对车站及区间进行竣工测量，传统的测量方法主要是采用全站仪测量隧道区间的二衬断面以及车站的空间尺寸，通过与设计数据进行对比来分析土建工程的施工测量质量，该方法外业工作量大，效率低且内业处理过程繁琐。在青岛地铁3号线中，将三维激光扫描仪应用于竣工测量，该方法工作量小，数据处理效率高，且可以进行三维建模对地铁车站进行漫游和空间分析处理，具有传统测量手段无法比拟的优势。

竣工测量；三维扫描；断面测量；三维建模

1 引 言

地铁竣工测量是在地铁土建工程完工后进行，主要任务是对已建成的地下构筑物进行测绘，并将获得的测量数据与原有设计数据进行比较，形成测量成果，供有关部门进行综合分析利用［1］。竣工测量主要是隧道区间的二衬断面以及车站的空间尺寸测量。传统的测量方法主要是利用全站仪或者测距仪等设备采集各个独立点的空间三维坐标，内业使用软件或人工绘制断面或空间尺寸图，并与设计数据进行对比，进行分析土建施工测量质量，判断是否满足设计限界等要求。这种方法外业工作量大，内业数据处理繁琐，效率低［2］。

三维激光扫描仪是近几年发展起来的新型测量设备，它突破传统的单点测量技术，使得外业测量更加高效便捷，为空间三维数据的获取提供了有效的测量手段。它采用非接触式激光测量技术，以点云的形式采集并保存空间物体表面的三维几何信息和纹理数据。三维激光扫描仪主要包括测距系统以及扫描系统，同时也集成CCD数字摄影和仪器内部校正等系统。其工作原理是:仪器对待测物体发射激光，根据激光发射和返回的时间差，得出扫描仪与物体的几何距离，根据水平方向和垂直方向步进角距值，计算出点位的三维坐标，并由仪器存储设备予以记录储存，再经过后处理软件的建模，便可得到被测物体的空间三维模型［3］。

在青岛地铁3号线永平路车站和西永区间的竣工测量中，使用了三维激光扫描仪，并获得了良好的效果。

2 数据采集

青岛地铁3号线永平路车站为地下两层岛式车站，西永区间长度为 984 m，采用喷锚构筑法施工，车站主体结构及区间二衬结束后，采用徕卡ScanStation C10三维激光扫描仪对其进行竣工测量。徕卡Scan-Station C10三维激光扫描仪扫描视场角大、距离远，视场角水平方向为360°，垂直方向为270°，其表面建模精度为 2 mm，标靶获取精度为 2 mm，单点测量点位精度为 6 mm，距离精度为 4 mm，角度精度为12″。其内置有400万像素的数码相机，在获取扫描点云的同时拍取照片，用于对点云的纹理贴图。同时，为了满足工程的更多需求，徕卡ScanStation C10支持外置高像素相机拍照功能，在扫描过程中获取更高像素的照片，整个360°方向只要获取6张照片即可。然后通过专业的Cyclone后处理软件进行快速贴图，呈现更加逼真的真彩色点云数据，丰富了扫描成果。

外业测量时，在车站和区间内控制点上架设标靶（图1左图），仪器根据现场通视情况任意架站，但需和两个标靶通视，仪器整平后根据扫描仪性能参数及现场环境设定扫描站间距、扫描点密度，保证各测站之间具有一定的扫描重叠度。同步进行隧道三维激光扫描，获取隧道三维点云数据，同时也获取标靶点云数据。一般在地铁隧道环境中，两个扫描站间距在 50 m ～100 m之间，为提高数据利用率以及后期的三维模型制作及分析，扫描密度可选择精细扫描模式，其在100 m处的扫描密度可以达到 0.3 mm，完全能够满足特殊工程项目的精细数据获取的需要。

三维激光扫描仪获取的原始观测数据主要包括:①根据2个连续转动用来反射脉冲激光镜的角度值得到激光束水平方向值和竖直方向值；②根据脉冲激光传播时间而计算得到的仪器到扫描点的距离值；③扫描点的反射强度；④通过数码相机获取的场景影像数据等［4］。前两种观测数据用来计算扫描点的三维坐标值，扫描点的反射强度和场景影像数据则用来给反射点匹配颜色或给模型映射纹理。

∗ 收稿日期:2016—01—01

作者简介:夏春初（1980—），男，硕士，工程师，注册测绘师，主要从事城市测量工作。

图1　徕卡C10三维激光扫描仪工作现场

3 数据处理

（1）标靶三维坐标计算:利用导线和水准测量的成果，进行标靶三维坐标的计算。

（2）点云拼接:根据标靶三维坐标将每个测站的点云数据归算到隧道施工使用的三维坐标系统中。

（3）剔除噪音数据:根据隧道设计数据（平曲线、竖曲线和设计断面），剔除隧道壁外的噪音数据。噪音数据主要是隧道内的连接螺栓孔、螺帽、注浆孔及电缆、照明设备和其他附着在管壁上的设施［5］。

（4）通过专业的Cyclone后处理软件进行快速贴图，生成真彩色点云数据，如图2所示。

（5）成果输出，根据需要提取并量测点云模型两个指定点的空间几何尺寸或提取区间指定里程的断面数据，并与设计数据进行分析比较计算，如图3所示。

图2　永平路车站和西永区间三维模型

图3　地铁区间超欠挖分析图

4 精度分析

三维激光扫描仪测量成果的精度主要受到仪器的角度测量精度、距离测量精度、分辨率、边缘效应、测量对象的反射特性、测量时的环境条件及后期的数据处理方法等因素的综合影响。就原始数据本身来说，角度测量精度和距离测量精度是影响测量成果精度的两个主要因素，该精度主要和仪器出厂时标称的精度有关。而三维模型的精度则主要取决于激光脚点光斑的大小和采样间距。激光脚点光斑的大小和采样间距对于仪器来说是可以调整的，其模型精度也会随选取的标准不同而有所不同，不具有一致性。本文只讨论单个扫描点的误差影响因素及其影响情况。

三维激光扫描仪的测角精度不仅和仪器本身的系统误差和测角误差有关，还与待测物体表面材质等特性有关，由于仪器捕获到的首次能量反射可以来自激光脚点光斑范围内的任何位置，这就必然导致一定量的偏离中心轴线的系统误差。这种实际观测点偏离中心轴线的误差存在不确定性，通常和观测对象的光谱特征、表面粗糙度及表面法线与入射激光所形成的夹角有关。

三维激光扫描仪的测距误差主要包含系统性误差和随机误差两项。由于测距也是以第一次俘获到足够反射能量来确定测量值的，而反射能量在很大程度上和目标表面特性及表面法线与入射激光所成的夹角相关。因此由于入射激光和目标表面不正交所产生的误差必须予以适当的考虑。

激光点在仪器坐标系中的坐标P（X，Y，Z）可表示为:

上式中S表示仪器中心至测点的斜距，α和θ表示仪器在水平方向和竖直方向上的旋转角度。根据误差传播定律:其中:

根据上述误差模型，即可对测站内某些最弱点进行精度估计，从而决定其取舍。对于高精度的三维激光扫描测量，尤其显得重要，不但可以在测量后数据处理中根据最弱点精度来做出采样点的适当取舍，而且可以在项目测量设计书里根据预期要达到的精度、仪器视窗的大小及最弱点坐标精度估算，正确选择测量方案。

由于在本项目中采用精细扫描模式，使用的地下控制点经过两站一区间的联测并平差计算，其最终点位扫描精度达到 3 mm。

5 结 语

青岛地铁3号线永平路车站和西永区间地铁竣工测量的外业数据的拼接精度很高，这是由于扫描距离短且现场具有较高精度的控制点，内业处理中使用Cyclone软件，用于标靶拼接、点云切片和点云拟合模型，成果更加全面；其成果具有点云、模型、线划图等多种表达方式。三维激光扫描仪的应用，大大缩短了作业时间、节省了人力成本、提高了生产效率。

目前制约三维激光扫描仪发展的瓶颈主要是价格过高以及后处理软件无法满足一些工程的具体需求，随着仪器价格的降低及后处理软件的完善，三维激光扫描仪逐步应用快速建立局部城市三维模型、古建筑测量与文物保护、逆向工程应用、复杂建筑物施工、地质研究、建筑物形变监测等相关领域，将会把传统测绘行业应用引领到一个新的时代。

［1］王智.地铁盾构姿态自动测量系统的研究与实现［D］.上海：同济大学测量与国土信息工程系，2011.

［2］郑德华，沈云中，刘春.三维激光扫描仪及其测量误差影响因素分析［J］.测绘工程，2005，14（2）：32～35.

［3］王智，邵成立，于宗伟.全站仪二次开发技术在工业测量中的应用研究［J］.测绘通报，2012（S1）：175～177.

［4］罗德安，廖丽琼.地面激光扫描仪的精度影响因素分析［J］.铁道勘察，2007（4）：5～7.

［5］廖胤齐.地铁隧道结构断面测量方法及对比分析［J］.北京测绘，2014（4）：84～86.

The Application and Precision Analysis of Three-dimensional Scanner in Subway Completing Surveying

Xia Chunchu，Wang Zhi，Zhang Hongde
（Qingdao Institute of Geotechnical Investigation and Surveying Research，Qingdao 266032，China）

It’s necessary for the station and interval to complete surveying after the end of subway construction.Traditional measurement method is mainly to survey secondary lining sections of tunnel sections and station space size by total station instrument，and then analyzes the construction measurement quality of civil engineering comparing with the design data.The characteristic of this method is large working，low efficiency and complex processing.In Qingdao Metro Line 3，3D laser scanner was applied to completing surveying.This new method is small woriking，high efficiency of data process，and can carry on roaming and space analysis processing to the subway station with three-dimensional modeling，has inimitable advantage compared with the traditional measurement method.

completing surveying；three-dimensional scanning；tunnel section measuring；three-dimensional modeling

1672-8262（2016）02-129-03中图分类号：P258

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