高铁工程测量中三维激光扫描技术的应用

高磊

（中铁十二局集团第二工程有限公司测量大队，山西 太原 030032）

新时代，城市化进程不断加快，人们出行需求不断增加，这为高铁工程建设行业带来了新的发展机遇。高铁工程工期较长，施工环节与内容较为复杂，致使工程建设难度较大。而测量工作是高铁工程施工中的关键环节，信息化时代，传统工程测量方式已难以满足工程建设实际需求与社会时代发展要求，三维激光扫描技术的运用已成为必然。三维激光扫描技术所得测量数据误差极小，数据更加精准，且可以同时测量多个点位，大大节约了工程测量时间。因此，相关人员应当积极探索实践三维激光扫描技术运用新路径，以切实彰显三维激光扫描技术的独特优势，保障高铁施工建设活动的顺利开展。

1 三维激光扫描技术的概述

三维激光扫描技术即激光扫描仪技术或激光雷达技术，是现阶段一种较为先进的测量手段，其高精度、无接触、迅速等特点主要体现在其在实践过程中，利用激光扫描仪设备，通过发送与接收激光光束与激光信号进行远距离测量。这一技术能够实现对物体表面大量点云数据的精准捕捉，并以三维坐标系为依托，对目标物体的三维形态进行构建。在三维激光扫描技术运用过程中，激光束能够十分迅速地对目标物体进行横向与纵向方向的扫描，并通过测量与反射回来的激光光束的实践与角度数据信息对每个点的三维坐标进行精准计算。这些三维坐标点形成了“点云”这一数据集，其中囊括了详细的目标物体表面相关几何信息。之后，通过分析与处理点云数据，能够实现目标物体三维形态的重建、形状、提取、体积计算等操作。三维激光扫描技术相较传统测量技术而言，具有高效快捷、精准度高、零接触、全方位测量等优势，因此，在建设行业得以广泛普及运用。在高铁工程建设中，利用三维激光扫描技术能够迅速获取大量且精准的轨道、隧道、车站等建筑物的几何数据，为高铁工程建设提供准确且可靠的数据支撑。新时期测绘领域不断创新技术，在技术支持下，各种工程修筑获得了有效支持。三维激光扫描技术的诞生为基建项目建设提供帮助，该技术配合多种测绘仪器功能，融合先进技术手段，将其利用在高铁工程测量方中，具备显著优势：（1）精准度高，提高生产作业的效率，在工程作业中测量速度每秒可达50cm，将其使用在大型工程修筑中，可缩短人力与材料投入，实现项目的精细化管理；（2）测量点分布较为密集，有500 余个采样点分布在每个断面中，所测量信息具有较强的全面性，基本上实现了对目标物体的全方位测量。可在环境复杂下完成测绘生产可在作业面较大的工程项目中生产，与特殊作业环境适配程度较高，技术十分灵活；（3）断面测量间隔可以依照实际情况进行设置，与工程项目实际情况更为契合，更能满足工程建设实际需求；（4）所测量结果覆盖范围较为全面，成果数量较多，能够获得任意间隔得多断面图，能够在隧道表面测量激光影像；（5）测量结果可以运用在诸多方面，能够为线路侵界、裂缝、管片错台等工程建设环节提供有价值的参考；（6）能实现无损检测，即便在危险系数高的环境下测量也可以实现，为施工人员生命健康安全提供坚持保障；（7）在仪器假设方面具有较强的自由性，与传统测量仪器相比，如全站仪等，无须进行对中操作，也就是说，在测量过程中不会出现对中误差，且仪器架设受环境因素影响较小，架设地点可依照实际需求灵活变动。

2 高铁工程测量的特点

（1）三网合一。该技术的使用可以为高铁三网合一的功能实现奠定基础。高速铁路工程测量实践融合施工控制网、轨道控制网以及勘测控制网三个方面，施工管理、高铁基建环节都需要充分考虑三者。因此，在高速铁路的施工阶段，施工控制网、轨道控制网以及勘测控制网三者均发挥着不同效用，实现三者的有效融合，是作业中的关键。三网合一的实现，让基建生产的勘测、施工与维护有序进行，确保不同的三个阶段作业有效开展，让测量工作切实、可靠进行。三网合一的实现需要依照CPI 基准来实现，在施工过程中，充分做好施工控制网、轨道控制网以及勘测控制网的分析，通过有效的测量手段，以二等、三等水准基点网搭建高程控制网。

（2）三级布设。高速铁路工程对轨道的几何线形要求非常高，控制标准需要精确至毫米级，这对测量提出更多要求。测量控制网既要满足精度控制，同时也要满足施工的要求，而且也要为高铁的轨道铺设奠定基础，这导致测量作业要足够精细，否则，将会导致高铁基建修筑出现问题。在测量、设计方面，将误差控制在高铁工程相关制度所规定的最小范围之内，最大化保证二者的统一性。高程和位置在空间环境中的表现是高铁轨道几何尺寸呈现的载体，周围建筑物将直接影响其功能的发挥，进而直接影响后期施工。进行测量的时候，需通过对相应空间坐标进行定位。学术上称为轨道的绝对定位，具体是指测量轨道的外部几何尺寸，可以借助不同级别的高程控制网来控制尺寸。满足尺寸要求，后续的线下车站站台、铁路隧道、路基、桥梁的空间位置才应该被保证，确保其与轨道相匹配。部分对等级较高的控制网，一次修筑完成需要消耗大量资金，投入较多，但效益却不能一次性保障。因此，测量控制网的建立，需要以长期为准则，坚持层次化控制原则，划分为不同等级，有序开展。建议将基础平面控制网作为第一等级，线路控制网作为第二等级，轨道控制网作为最后一个等级建立起平面控制网，这对后续维护、保养工作都有极大帮助。

（3）独立性的工程坐标系。高铁工程的测量精度非常高，作业过程中借助坐标反算来确定边长值与实测值之间的对应关系，以确保尺度的一致性。由于作业的特殊性，地面测量的时候测量数据投影至平面必将会产生相应的形变。以用国家投影坐标系统为例，工程测量时，其边长投影的最大变形值每公里可能达到34 厘米，这会严重影响高铁工程施工作业。因此，在工程测量的时候需要控制好精准度，通常可以根据独立的工程坐标系来修正精度，如利用独立的工程坐标体系来修正投影所产生的误差，将其控制在每公里10mm 范围内，从而确保全站仪设备的测量精准度。

（4）利用相对定位与绝对定位提高测量精度。高铁工程测量定位过程中，传统方式的利用绝对定位导致实际施工现象与设计存在较大差别，为施工建设带来极大不便。当前，高铁工程测量所使用的是相对定位的方式进行轨道铺设，通过相对定位，解决轨道短波不平顺的问题，但这种方式不能有效处理长波不平顺问题。部分曲线半径较大和弯道较长的高铁工程轨道铺设施工作业中，利用相对定位的方式作业，会增加作业难度。为保证工作顺利完成，通常需要将两者进行结合，利用相对定位与绝对定位从根本上解决轨道作业情况。

3 三维激光扫描技术在高铁工程测量中的应用

3.1 工程概况

独立控制网具体工程部位里程分段：工程名称：保康隧道，起点里程：DK500 ＋204 ～DK513+980，长度(m)：14570。ZWZQ-7 标段起点里程DK497+645 ～DK531+850，线路长度34.985km。标段主要包括特大桥2954 延长米/3 座；大桥467 延长米/2 座；隧道31180延长米/4.5 座。

3.2 采集与处理基础性数据

在三维激光扫描技术运用过程中，首先，应当依照高铁工程测量实际需求来扫描参数，结合项目需求来进行测量。在项目施工建设过程中，利用中等速度与质量开展测量工作，扫描参数进行设置，将质量设定为4X，以1/5 作为分辨率，将每个站点的测量时间控制在395s左右。其次，合理摆放仪器设站以及标靶球。LeicaP40三维激光扫描技术在一定范围内测量有效，为确保精准度，相邻测站之间距离控制在30m 内。实践过程中测站两端需摆放数量不相等的标靶球，以区别测量范围，一般标靶球数量要大于3 个，不能在同一平面内，如此才可以更好地参考。测量完毕后的数据处理为：（1）点云拼接及噪点处理，三维激光扫描技术配置数据处理软件，利用点云数据处理软件进行拼接；Cyclone 软件可以处理扫描中的噪点，进行的删除、加工；（2）接下来构建三角网模型，作为数据处理环节的重点与难点，作业内容中，技术人员借助Geomagic软件进行参数筛选，将处理好的数据进行导入，进行三角网模型的构建，并将其与全站仪测量的数据进行对比分析，以评估三维激光扫描测量精准度。测量数据的精准度可以成为后续作业的关键，借助明确三角网模型，让高铁工程施工有精准的测量参考。因此作业环节，三维激光扫描技术获取的测量结果与全站仪所获得测量结果之间误差上下幅度不超过22mm；（3）中心线提取与断面输出，中心线的提取需结合隧道区间的模型，并以每间隔2 个环片为标准，输出隧道中心线的法线方向上的断面图，要求输出的断面图需采取DWG 格式。结合本项目内容，在实践过程中，对起点里程DK497+645 ～DK531+850 的平面坐标进行计算，后续进行输出。需要通过软件将车行轨迹准确快速的提取出来,并进行编辑和修正；（4）测量半径，利用CAD 软件输出三维模型，并以断面图的中心点位为基点，从正上、正右、正左、左45°、由45°这5个方向进行半径的测量。

3.3 测量轨道与线路

测量高铁与轨道线路是保障高铁安全、平稳运行的关键环节，在传统轨道过程中，所使用的测量方式往往需停运高铁列车，之后由专业人员利用传统仪器对轨道进行测量，这不仅需消耗大量的人力、物理与时间，还极易导致高铁运营延误。而利用三维激光扫描技术能够在高铁正常运行的情况下对轨道线路进行测量，三维激光扫描技术能够迅速获取高铁轨道的几何参数、线路走向与高程等信息。通过三维激光扫描技术的运用能够促进轨道线路测量工作高精准、高效率测量，为高铁平稳运行与轨道维护提供坚实数据支撑。在实际测量过程中，三维激光扫描技术能够全方位获取轨道的几何特征，包括轨道的水平曲线、横向曲线、垂直曲线等参数，这些数据能够为轨道安全性评估与维护提供依据，便于工作人员技术发现轨道的变形与几何偏差等问题。同时，三维激光扫描技术还能够获取线路的点云数据，进而建立线路的三维模型，明确线路的走向与站点位置，为高铁线路规划与设计提供重要参照。

3.4 获取车站建筑物形态

高铁车站是乘客乘坐高铁出行进出的重要场所，其建筑物形态与结构对于乘客进出与站内空间布局有着重要影响，利用三维激光扫描技术能够迅速获取车站建筑物的三维形态与结构信息，如扶梯、墙面等，全面捕捉车站建筑物几何特征，为车站的设计与规划提供详细的数据支撑。在实际运用过程中，为避免对高铁运营造成影响，可以利用三维激光扫描技术非接触这一特点，在车站外部对目标物体进行非接触式扫描与测量，通过快速的数据信息采集，可以在短时间内获取车站的三维形态数据。在车站内部信息获取方面，可以利用三维激光扫描技术对车站内部空间进行扫描，虚拟仿真车站人流量，对车站空间内部进行详细分析，革新内部空间布局与导向，以为乘客出行带来便捷。另外，相关人员也可以利用三维激光扫描技术动态化监测车站建筑物的结构变化与损伤，探寻车站中存在的潜在安全隐患，以保障车站建筑物的结构安全与稳固性。

4 结语

综上所述，三维激光扫描技术在高铁工程测量中发挥了巨大的价值，其所获取的数据信息精准度较高，对高铁工程建设有着重要参考价值。在高铁工程测量过程中，可以利用三维激光扫描技术进行采集与处理基础性数据、测量轨道与线路、获取车站建筑物形态等工作，以实现高铁工程的数字化建设，为高铁安全平稳运行提供坚实的保障。