三维激光扫描技术在传统地铁隧道变形监测中的应用

文 / 姚文军，安徽省城建设计研究总院股份有限公司

随着城市的发展，地铁隧道这一方便城市交通的工程得到了越来越多的注意，同时作为一种地下工程，地铁隧道的安全性也是使用过程中必须注意的，因此必须有相应的监测方法对地铁隧道展开变形监测。地铁隧道变形监测对保障地铁设施的安全至关重要，而传统的监测方法在应用中起到的作用非常有限，只能够对间隔了一定距离的一部分断面的数据进行分析。而三维激光扫描技术就是近年来得到广泛使用的监测技术的一种。这种监测技术的通途广泛，已经大范围的应用于城市的地面模型建立和三维数据模型建立，应用于地铁隧道中时，可以有效的对地铁隧道的变形程度进行监测。

1 地铁隧道变形概念和三维激光扫描技术

地铁隧道变形是指在地铁的运营过程中，地铁的隧道受到外力影响如周边的工程施工或者地铁隧道内部的工程施工以及地铁列车的运行造成的振动进而造成的隧道变形。而三维激光扫描技术则是在1995年左右出现的一种技术，这种技术是GPS后又一项新型的测绘技术，这种测绘技术通过高速的激光对扫描对象的数据进行快速的收集、统计、分析，因为激光的效率高，计算的速度快，因此可以快速的采集大量的空间点位信息，可以快速的建立物体的三维影像模型。因为其快速、不接触、实时动态监测和高精度的特点，在各个工程中均有着一定的应用。而三维激光扫描技术通常由扫描仪、支架、电源、计算机以及一些配件组成。而三维激光扫描仪就是其中最为重要的一部分，是一切的前提和基础，三维激光扫描仪由激光发射器和激光接收器、计时器、可以旋转的滤光镜、控制电路板、和微电脑等组成，因为高效的测量技术，因此其重要性往往可与GPS这门空间定位技术相提并论，不同于传统的单点测量，三维激光扫描技术具有数据收集快数据精度高和数据处理快的优点，通过对地铁隧道管壁的三维点云数据扫描，最终得到一个具有高度分辨率的地铁隧道模型。

2 三维激光扫描技术在传统地铁隧道变形监测中的应用

2.1 对数据的收集

通过对导线和水准测量方案的设计，然后使用激光扫描仪对需要测量的地铁隧道进行扫描，主要扫描站间距和扫描点密度并且保证扫描的重叠度合格。同时，对地铁隧道的内导线和水准开展测量，以方便对三维坐标进行传递，传递的方法选用标靶，并同时进行隧道的三维激光扫描以获得隧道管壁的三维点云数据和标靶点云数据。掌握以上数据将有利于对地铁隧道变形监测的观察。

2.2 对数据的预处理

对数据的预处理一般有四个步骤，首先是对标靶的三维坐标进行计算，计算的根据是标靶的三维坐标。然后对点云数据的三维坐标归算，采用的是先前计算得出的标靶三维坐标，将这个数据归算到统一的三维坐标系统，从而通过三维坐标系统计算。之后对有干扰因素的噪音数据进行剔除，根据隧道设计的最初的图纸和数据，主要需要掌握的事地铁隧道的直径及其轴线空间位置，因此其他的如管壁外的数据可以直接剔除，而常见的有干扰影响的噪音数据主要是地铁隧道内的照明系统，以及一些电缆，螺栓等。最后是对管壁点云数据的提取，由于扫描时的角度和距离等原因，所以激光扫描也会有着管壁点云密度并不均匀，站附近的点密度大的缺点。因此为了数据的处理速度提高和精度，必须去掉密度大的一些区域。

2.3 三维模型的建立和成果的输出管理

在得到点云数据后，就可以根据数据建立一个地铁隧道的三维模型。然后根据三维模型就可以进行成果的输出。对地铁隧道内的管片进行三维模型断面的截取，然后对断面数据做多项式的曲线拟合，得到的数据与设计圆片断面比较，并得到管片最终的变化量曲线，这样就可以比较测量的值与设计的值的有无差距，并最终判断有无发生地铁隧道的变形。而成果管理则是对收集的断片数据和测量的结果进行管理，一般会采用一套专门的地铁隧道测量成果管理系统进行管理以方便提高效率，而地铁隧道测量成果管理系统会对这些断片数据和测量的结果进行浏览和分析，分析每个管片断面的变化和变形的量的差值。

3 结语

三维激光扫描技术在地铁隧道内部的应用中可以保障扫描距离和点云密度，同时保障数据处理的速度和精度。同时还可以不用重复，一次性的全方位采集隧道内部的表面数据，并对其进行相应的计算和处理，最终得到断面的变形量。三维激光扫描技术可以有效的提升数据的采集速度和提高数据的处理效率，因此可以有效的在地铁隧道的停运时间段利用不长的时间对隧道进行安全检测，采用三维激光扫描技术，对两个站点的数据收集和分析，最终得出结果往往只需要一个星期左右的时间，因此相较于传统测量方法，三维激光扫描技术在应用中可以有效的提升对地铁隧道的监测准度和效率，保障地铁隧道的安全性。