三维激光扫描技术在地铁隧道调线调坡测量中的应用研究

高帅，马全明，符新新，任干

(1.北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101； 2.城市轨道交通深基坑岩土工程北京市重点实验室，北京 100101)

1 引 言

近年来，越来越多地区出现盾构成型线路偏离原设计的现象。为了满足后期轨道铺设等要求，设计人员需要对成型隧道进行调线调坡处理。在对其进行调线调坡时，如何快速准确获取成型隧道的断面数据成为技术人员面临的考验。常规测量方法作业效率不高，且成果仅为特征点数据拟合所得，精度上存在误差，而三维激光扫描技术以其测量快速、点云密度大等特点，则可以解决这些不足。

基于此，本文结合工程实例，将三维激光扫描技术应用到调线调坡测量工作中，简单介绍了技术原理以及数据获取和数据处理过程。通过对比分析得出该技术的应用是可行的，测量精度能够满足相关规范要求。因其高度自动化的作业模式，不但可以大大提高测量的作业效率，而且扫描获取的隧道点云数据，可以为后续隧道的数字化建设等大量工作提供数据基础，避免了重复繁杂的数据采集工作，是实施全方位隧道维护战略、提高隧道设施维护经济效益的有力保证。

2 三维激光扫描技术简介

三维激光扫描仪通过发射和接收的激光束测量物体，利用激光束中心点来定位，计算出每个点的三维坐标。大量的点形成三维点云，直接将各种大型的、复杂的、不规则等实体或实景的三维数据完整地采集到电脑中，经过建模，构建出目标的三维实体模型，技术原理如图1所示。

图1 三维激光扫描原理示意图

3 技术设计与外业数据采集

3.1 技术设计

地铁隧道调线调坡测量的工作主要分为外业数据采集、内业数据处理两大部分，外业数据采集包括现场踏勘、测量控制点的收集及参数设置等内容；内业数据处理包括数据预处理、截取断面、成果输出、辅助调线调坡等内容，技术路线如图2所示。

图2 技术路线图

3.2 外业数据采集

外业数据采集之前，首先对扫描作业环境进行现场踏勘，然后进行详细的技术路线设计。外业扫描正式开始后，先在成型隧道有效范围内布设2个～3个标靶，然后在合适位置架设三维激光扫描仪，调平仪器、设置好参数后，启动扫描按钮，进行扫描作业。一个测站的扫描工作结束后，在已有的隧道精密导线点上架设全站仪对标靶进行测量。

4 三维扫描点云数据的处理

外业数据采集完成后，为了获取有用信息进行处理分析，在内业数据处理过程中，相关人员需要采用配套的软件对点云数据进行一系列的处理，这其中包括点云的去噪、拼接、断面信息提取等操作。

4.1 点云数据的去噪

外业采集的点云数据中都会不可避免地存在一些噪声点云数据，它们明显远离扫描对象孤立存在，之所以出现这种现象主要归结于作业人员及已有设施遮挡的影响。在对点云数据处理分析之前，必须要对其进行去噪处理(结果如图3所示)，然后利用有效点云数据进行后续的处理及分析。

图3 去噪处理后的点云数据

4.2 点云数据的拼接

由于在外业数据采集过程中，扫描作业模式选用的是分段设站式，故每站获得的点云数据是彼此独立地存储在各自的坐标系统里面。为了便于后期处理及分析，需要将各站点云数据以通视且重合的标靶点作为依据进行匹配拼接处理，剔除重叠部分统一合并成为一个整体，结果如图4所示。

图4 拼接处理后的点云数据

4.3 基于点云数据的断面信息提取

利用拼接处理后的点云数据，沿着线路前进方向以baseline为基准，每隔 1.5 m(盾构管片宽度)宽度生成断面切片，如图5所示。然后利用AutoCAD软件中相应模块中导入生成的断面点云数据资料，按要求提取断面信息，并记录成表。

图5 基于点云数据提取断面

4.4 成果精度分析

为评定扫描成果精度，以常规测量方法测得的断面成果作为真值，对其进行检核。由于现场测量条件的限制等原因，在所提取的857个断面成果中，有26个断面明显存在系统偏差，我们在进行成果精度检核时需将其剔除不计入精度对比当中，在剩余的831个提取断面成果中两种方法测得的隧道中心位置处横距差值最大为 11 mm，均值为 6 mm；底高差值最大为 8 mm，均值为 4 mm，以 12 mm作为成果对比的限差，则左右横距合格断面与底高差合格断面比例均为100%，说明采用三维激光扫描技术提取断面数据是可靠的，精度可以保证。

5 辅助调线调坡分析

经对测量成果进行限界分析(如图6所示)，发现部分区段侵限严重，需要对线路进行调整。依据实测的断面数据拟合出实测隧道中心线坐标，据此计算实测线路中心线坐标，在设计图中绘出这两条线，调整原设计线路中心线，使设计线路中心线尽量与实测线路中心线相吻合。线路调整后，将调整量再与实测数据进行复核，初步判断基本满足限界、轨道等要求后，将调整后线路参数提交测量单位对该调整区段再次进行测量，根据复测成果再次进行检查分析，直到满足设计要求。

图6 辅助调线调坡分析

6 结 语

本文主要对三维激光扫描技术在地铁隧道调线调坡测量中的应用进行了研究，笔者从数据获取和数据处理两方面进行了详细介绍和阐述，经外业检验，测量成果完全满足相关规范中对于测量精度的要求，说明该技术在地铁隧道调线调坡测量中的应用是可行的，同时因其高度自动化的测量作业模式，可以大大减少作业人员的劳动强度。另外，通过三维激光扫描技术获取了隧道的点云数据，可以根据需要一次扫描多次利用，为后续隧道的数字化建设等大量工作提供了数据基础，避免了重复繁杂的数据采集工作，是实施全方位隧道维护战略、提高隧道设施维护经济效益的有力保证，具有广阔的应用前景。