三维激光扫描技术在地铁隧道断面测量中的应用

万冠军， 马全明， 丁林磊

(1. 北京城建勘测设计研究院有限责任公司， 北京 100101； 2. 中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司， 南宁 530023)

三维激光扫描技术在地铁隧道断面测量中的应用

万冠军1， 马全明1， 丁林磊2

(1. 北京城建勘测设计研究院有限责任公司， 北京 100101； 2. 中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司， 南宁 530023)

地铁隧道土建施工完成后为了对线路进行调线调坡，需要对地铁隧道进行断面测量，三维激光扫描技术与常规测量方法相比具有非接触式测量、可高密度采集空间三维点云数据等特点，为地铁断面测量提供了新的技术手段。介绍三维激光扫描技术的基本原理和在地铁隧道断面测量中的方法，并结合南宁地铁1号线隧道断面测量工程实例，对三维激光扫描技术在地铁隧道断面测量中应用的可行性进行探讨。断面测量成果不仅为线路进行调线调坡提供依据,而且还可以为后续的隧道模型构建、隧道变形分析以及铺轨和设备安装等工作提供相关应用和支持。

城市轨道交通； 三维激光扫描技术； 隧道断面测量； 点云数据； 调线调坡

1 研究背景

在地铁隧道土建施工完成后，成形隧道的空间位置与设计值相比会存在一定程度的误差，因此，地铁隧道设计线路需根据施工完成后的隧道实际情况进行相地铁隧道断面测量方法主要有全站仪法、断面仪法和三维激光扫描法。全站仪法是在实地5 m左右选取一个断面，通过采集该断面上的若干离散点数据，然后将这些离散点拟合成一个断面，该方法数据采集密度低、速度慢、人工作业量大、数据后续利用度低。

断面仪法采集的是一个隧道断面上连续的点，虽然精度高但一次设站只能采集一个断面，对于长隧道，作业效率依然不高，且采集的断面不连续，无法建模。

三维激光扫描技术是一门新兴的测绘技术，能快速采集原始数据，具有非接触、精度高、速度快的特点，能大幅节约时间与成本，有效解决数字化信息采集的难题。这些优势使其在虚拟现实、数字城市、三维传真、文物保护、工业生产等领域有广泛的应用，是目前国内外测绘领域研究关注的热点之一[1]。三维激光扫描获得数据为点云数据，数据量大、精度高、作业效率提高明显，并且点云数据经过加工也可应用到后续工程中，数据利用价值高，可以做到“一次扫描，多次应用”，为地铁隧道断面测量提供了一个全新的途径。本文主要介绍三维激光扫描技术的原理、工作流程，结合南宁地铁1号线某区间工程实例，阐述三维激光扫描技术在地铁隧道断面测量中的技术可行性、可靠性及应用方法。

2 基本原理

三维激光扫描技术是利用激光测距的原理，采用非接触式高速激光测量的方式，采集物体表面大量密集点的三维坐标，获取物体的几何图形数据和影像数据，使用专业软件对采集的点云数据和影像数据进行处理，并转换成绝对坐标系中的空间位置坐标或模型，以多种不同的格式输出，满足空间信息数据库的数据源和不同项目的需要。三维激光扫描仪工作原理见图1。

图1 三维激光扫描仪工作原理Fig.1 Principle of 3D laser scanner

三维激光扫描系统主要由扫描仪、控制器和电源控制系统3部分组成，其中三维激光扫描仪主要包括扫描头、控制器、计算机等。三维激光扫描仪发出1个激光脉冲信号通过传动装置的扫描运动和2个同步反射镜快速而有序地旋转，扫过被测物体表面并反射回三维激光扫描仪接收器。仪器中心到被测物体表面任意一点的距离S，由激光从发出经被测物体表面再返回仪器所经过的时间差计算得到；扫描仪同时测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值θ，最后计算出被测物体上任意一个激光点P的三维坐标，通过一系列处理获得目标物体表面的点云数据。三维激光扫描点坐标计算原理如公式(1)所示。

(1)

3 工作流程

三维激光扫描技术在地铁隧道断面测量中的整个工作流程分为采集外业数据、内业数据预处理、截取隧道断面、成果输出等，详见图2。

图2 地铁隧道断面测量工作流程Fig.2 Flow chart of subway tunnel section measurement

3.1 采集外业数据

在Faro扫描仪底安装APM定位基座，其主要组成部分是通信模块和2个定位棱镜，如图3所示。在扫描仪的前方5 m处架设定位球靶，定位球靶由棱镜和半个球面组合而成。当一个测站工作时，首先由架设在已知控制点上的全站仪测量扫描仪底座上的2个棱镜，从而确定扫描仪中心的绝对坐标，然后测量定位球靶，得到定位球靶的绝对坐标。扫描结束时，一个测站工作结束，扫描仪和定位球靶向前推进，进行下一测站的扫描工作。整个工程结束后，利用2套坐标系3个以上共同点进行空间坐标转换。工作原理如图4所示。

图3 Faro扫描仪和APM定位基座Fig.3 Faro scanner and APM positioning base

图4 一个测站扫描工作原理Fig.4 Schematic diagram of a scanning station

3.2 内业数据预处理

在点云后处理软件中，拼接各个测站的点云数据，剔除原始的点云数据中存在噪声点及各类障碍物等无用数据。

3.3 截取隧道断面

数据预处理后，在专业软件中，进行三维建模，确定实测的隧道中心线，加载隧道的设计中心线，并沿其法线方向按一定间隔截取隧道断面。

3.4 成果输出

将截取的断面图输出成DWG 格式文件，并生成相应数据表格，提供给设计单位进行调线调坡使用[2-8]。

4 工程案例

4.1 作业方法

以南宁地铁1号线某区间隧道断面测量为试验段，进行三维激光扫描隧道断面测量试验。试验采用FARO Focus 3D 扫描仪配合安伯格APM定位基座的方法，每隔20 m设一站，整个数据采集工作选用中等速度和质量进行，一个测站的扫描时间大约为5 min。

外业数据采集完成后，利用本院开发的Tunnel Survey软件进行处理。对隧道模型进行中心线提取，并按每隔1 m输出中心线法线方向的断面图(见图5)，成果采用DWG格式，然后通过与相应的设计值相比较，生成供设计单位调线调坡使用的断面成果报表，如表1所示。

图5 断面成果图Fig.5 Sectional drawing

里程ZDK测点左侧右侧底点高程顶点高程轨面高程轨道结构高度轨上高度实测值/mm设计值/mm差值/mm实测值/mm设计值/mm差值/mm实测值/m设计值/m差值/mm实测值/m设计值/m差值/mm设计值/m实测值/mm设计值/mm差值/mm实测值/mm21375.000上228322582521822258-7659.44759.494-4764.85364.894-4160.354907860474499中275326975526512697-46下258325127124822512-3021376.000上228122582221812258-7759.44759.496-4964.85264.896-4460.356909860494496中275226975525632697-45下258325127124842512-28

图6 水平差值(左线)Fig.6 Horizontal difference map

图7 高程差值(左线)Fig.7 Elevation difference map

续表

注：差值=实测值-设计值

4.2 与全站仪法数据比较分析

将三维激光扫描仪测量成果与全站仪测量成果进行比较，由于全站仪获取的数据是按每隔6 m左右进行实测的，而不是按自定义的间隔数截取的，所以本文只选取位置接近的地方进行比较，两种方法比较成果如图6、7所示。

从比较结果来看，扫描仪获取的数据和全站仪获取的数据虽然在数值上会有一些差别，差值绝大部分在15 mm以内，个别达到20～30 mm，但变化趋势基本一致。

5 结语

从上述的论述可以看出，三维激光扫描技术与传统的测量方法相比较，极大地提高了作业效率，缩短了外业时间，避免了外业数据的重复采集，同时提取了更为准确丰富的断面成果。这些断面测量成果不仅为线路进行调线调坡提供了依据，而且还可以为后续的隧道模型构建、隧道变形分析以及铺轨和设备安装等工作提供了相关应用和支持。因此，该方法是隧道断面测量的发展趋势，具有良好的应用前景和推广价值[9-10]。

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MA Liguang .Study on the technology of 3D laser scanning[D].Wuhan: Wuhan University， 2005.

(编辑：郝京红)

Application of 3D Laser Scanning Technology in Subway Tunnel Section Measurement

WAN Guanjun1, MA Quanming1, DING Linlei2

(1. Beijing Urban Construction Exploration & Surveying Design Research Institute Co., Ltd., Beijing 100101; 2. China Energy Engineering Group Guangxi Electric Power Design & Research Institute Co., Ltd., Nanning 530023)

After the construction of subway main structure, the profile of subway tunnel needs to be surveyed in order to realize the route adjustment of alignment and gradient. Compared with the conventional measuring methods, 3D laser scanning technology has the characteristics of non-contact measurement and can collect space 3D point cloud data with high density, which provides a new way for the measurement of subway profile. This paper introduces the basic principles of 3D laser scanning technology and the measurement methods of subway tunnel section. In terms of tunnel section measurement engineering project in Line 1 of Nanning Rail Transit, the application feasibility of 3D laser scanning technology in tunnel profile measurement is discussed. The results of cross sectional survey provide not only the basis for the alignment and gradient adjustment of the line, but also support for tunneling model building, tunnel deformation analysis, and track laying and equipment installation. Keywords: urban rail transit; 3D laser scanning technology; tunnel section measurement; point cloud data; route adjustment of alignment and gradient

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.04.012

2017-01-06

2017-03-08

万冠军，男，本科，工程师，从事轨道交通测量工作， 59104766@qq.com应的调整。这就需要进行地铁隧道断面测量，为调线调坡工作提供基础数据。

U231.1

A

1672-6073(2017)04-0060-05