地面三维激光扫描技术在地铁隧道竣工测量中的应用

许少辉

(广州地铁设计研究院有限公司，广东 广州 510010)



地面三维激光扫描技术在地铁隧道竣工测量中的应用

许少辉*

(广州地铁设计研究院有限公司，广东 广州 510010)

主要介绍了地面三维激光扫描技术在地铁隧道竣工测量中的应用。详细介绍了利用三维激光扫描仪外业作业流程、点云数据处理方法。并在广州地铁某在建隧道进行了现场实验，实验结果表明该方法高效、精度高、数据翔实，能够很好地应用于地铁隧道竣工测量，并为地铁后期的施工、运营维护提供详细的基础资料。

三维激光扫描技术；地铁隧道；竣工测量

1 引 言

近年来，为了缓解地面道路的交通压力，各大城市都大力发展城市轨道交通。地铁隧道工程属于百年工程，其各个环节的质量要求都非常严格，地铁隧道竣工测量作为日后地铁后续设备安装、运营维护的基础资料，其测量的准确性和数据的翔实程度至关重要。地铁隧道主体结构完成施工之后，隧道的空间位置与设计值会存在一定的偏差，也就是施工误差，这需要对隧道设计线路的平面以及坡度进行适当调整[1]。地铁隧道的竣工测量是隧道建设的一个重要内容，《城市轨道交通工程测量规范》[2]规定竣工测量主要包括线路、沿线设备、地下管线轨道竣工和区间车站和附属建筑结构的竣工测量。传统的隧道结构断面竣工测量主要有吊铅锤法、全站仪极坐标法、断面仪法、摄影测量法[3]，这些方法数据采样率低，实测断面数量有限，只能反映局部的特征，很难高效地进行大范围的检测，且容易受人为因素影响。而地面三维激光扫描系统作为一种集成了多种高新测绘技术于一体的新型综合测量技术，它的出现可以使结构断面竣工测量变得更加快捷、高效，利用三维激光扫描系统生成的三维模型，能让设计方和施工方更直观地了解整个隧道的施工进度，为项目各方提供交流展示的平台，并辅助设计方进行各方面的计算分析。

2 三维激光扫描系统作业过程

2.1 外业过程

常用的隧道测量仪器为全站仪和激光断面仪，激光断面仪可以在测站上同时检测测站前后多个断面的数据，而且配备有专业的计算处理软件[4]，工作效率高，但是功能单一。而三维激光扫描系统能够快速地获取海量的点云数据，不需要进行后视定向或者设置基准点，可以无需反射棱镜，非接触式测量，作业效率高，测量精度高，不仅可以用作竣工测量中的椭圆度检测和中心线提取，还可以得到高精度的三维模型，这也是激光断面仪无法做到的。另外扫描处理后得到的管道、线缆、灯管等模型可以直接导入相应软件中建立建筑信息模型(BIM)。

因为地铁隧道狭长空间较窄，对扫描仪的架设及测量工作较为不利，所以需要事先进行现场的踏勘，确定测站和标靶位置，并根据现场情况确定扫描分辨率，其外业主要过程如下：

(1)现场踏勘

根据隧道内部的实际情况，确定出合适的仪器架设位置，并根据现场情况设计合适的测站数，以确保选择的测站能够覆盖需要扫描的区域、保证点云精度，由于隧道的狭长结构，激光扫描仪的扫描密度随着扫描距离的增加而迅速下降。为保证有足够的点云数据来进行后期的中心线和椭圆度的处理，测站扫描分辨率应尽可能高些，每个测站点和前一测站的标靶子要能够通视。

(2)标靶布设

隧道管片没有明显的特征点用于匹配拼接，而在隧道这种狭长的环境布设控制网较为麻烦，所以一般选用球形标靶用于测站间的点云配准。标靶的布设要保证以下几个原则，不能和测站点分布在同一直线上，同时它必须和测站通视、距离测站不宜太远，且保证相邻测站间有三个及以上的公共标靶点。

(3)数据获取

数据获取过程可以通过笔记本电脑实现或者直接操作仪器实现，设置仪器的扫描范围、角度、分辨率，先选择较低的分辨率进行粗扫描，确定要扫描隧道的大概范围。再对重点区域比如轮廓、标靶等部位进行精扫描。为了能够得到精确的隧道模型以及标靶点的精确坐标，为后期截取断面和中心线提供精确的数据，应尽可选用足够高的分辨率。

2.2 内业过程

地面三维激光扫描系统中，点云数据内业处理具有重要地位，点云数据处理主要包括数据导出、点云配准拼接、去噪、坐标系归化、点云压缩采样、三维模型重建、根据法向量提取结构断面、椭圆度计算和中心线计算。其流程图如图1所示：

图1 三维激光扫描计算椭圆度流程图

(1)点云拼接

常用的点云拼接方法有以下三种：基于控制点的拼接、基于公共特征点的拼接和基于标靶点的拼接。第一种拼接精度最高，可以满足监测精度的需要，第二种方法是依靠人眼来识别曲率、轮廓线等特征[5]，人为因素对结果干扰较大。由于隧道呈狭长结构，布设控制网较复杂，而且控制网狭长几何图形不好，根据误差传播定律，拼接精度有限，所以第一种方法不大适用，而隧道内壁较为光滑，没有棱角、凹凸等特征点，无法使用第二种方法，因此选择布设球形标靶作为拼接标志。

(2)坐标系归化

隧道的施工坐标系通常选用的是高斯投影坐标系，施工坐标系主要是通过将已有的控制网数据引进隧道来建立，平面控制测量随着隧道向前开挖掘进而逐步布设导线的方式进行，高程控制测量一般选用水准测量或者三角高程测量[6]。以隧道线路前进方向建立X轴，其含义为里程；Y轴垂直于X轴方向，其含义为距离隧道中线的偏距。地面三维激光扫描仪自身坐标系是三维直角坐标系，是以扫描仪的几何中心为原点，并根据扫描仪的旋转轴和对应参考方向定义的坐标系统。

受激光扫描仪视场角的限制以及物体的遮挡，一个测站往往无法获得所需要的所有数据，所以需要设置多个测站从不同的方向对隧道进行扫描，各测站得到的数据都是以各自的测站扫描仪坐标系为基准，必须将各测站的数据拼接集中在同一坐标系下，才能得到所需隧道的完整点云，这里我们把不同的测站坐标统一到施工坐标系下。各坐标系分布示意图如图2所示。

图2 坐标系统示意图

根据空间直接坐标系转换理论，两个坐标系存在着3个平移参数和3个旋转参数，再顾及到两个坐标系之间尺度的不尽一致有一个尺度变化参数，共有七个参数。坐标转换公式即为式(1)：

(1)

式中，△x，△y，△z为3个平移参数，εx，εy，εz为3个旋转参数，m为尺度变化参数。在实际中，为了求得这7个转换参数，在两个坐标系之间需要至少有3个已知坐标的重合的公共点，列9个方程[7]。然后解算出点云拼接的参数，然后根据这些转换参数算出每个激光点在施工坐标系中的坐标，这样就可以完成上一步的点云拼接。

(3)数据预处理

对隧道点云数据建模前，首先是排除测量错误的点，也就是明显远离被扫描对象的孤立的点，这样的点，一般可以手工或者使用软件的简单功能选择后并删除掉。其次是点云去噪和平滑，由于实验人员以及隧道管片内已经安装有线缆、灯管等对隧道管片的遮挡，在获取隧道管片的点云数据时，不可避免地需要处理这些噪声点云。最后，因为三维点云数据量很大，若直接进行建模处理，会耗费大量的时间，数据处理的效率太低，所以要对点云数据进行减采样，再进行后期的建模等处理。

(4)点云三维建模

三维激光扫描系统获取的点云数据是离散的，无法精确形象地展示隧道的几何信息，因此需要把离散的点云数据生成表面模型来模拟隧道的表面，为后期建立BIM提供基础模型。主要过程有构建三角网模型，多边形修补、去除多余特征、减少多边形数量、平滑以及轮廓线提取和曲面拟合。在多边形阶段对模型进行修补、调整等，对一些无法扫描到的小的孔洞用线性插值或者二次曲面插值的方法进行填补。轮廓线用手工或者软件自动提取，最后构造曲面片和拟合曲面。

(5)RiSCAN PRO中切割模型

按照《城市轨道交通工程测量规范》的要求，地铁隧道直线段每隔 6 m测量一个断面，曲线段每隔 5 m测量一个断面，由于三维激光扫描仪获取海量数据的优势，可以以很小的间隔来获取断面，在Geomagic Studio中建模后，导入到RiSCAN PRO软件中，利用该软件创建新断面目标的功能截取模型，便可得到一组断面，但是这种情况并不能保证断面与中心线完全垂直，所以这里拟合所得的断面，并得到一组中心点。

(6)提取断面

断面测量是竣工测量的一个重要部分，是后期隧道变形监测的主要部分。断面提取过程如下，先将上面第(5)点中断面的中心点连接起来即可得到隧道中心线，然后根据中心线上各中心点的法向量[8]，先将法向调整为某一坐标轴的平行方向，然后用RiSCAN PRO截取功能截取模型即可得到与隧道正交的结构断面。

(7)计算椭圆度

我们可以在得到的断面上进行长短半轴的测量并求取椭圆度，计算公式参照式(2)：

T=2*(a-b)/D

(2)

上式中T为椭圆度，a是隧道长半轴，b为隧道短半轴，D为隧道的外径。

(8)中心线提取

在地铁隧道竣工测量以及变形监测时，通常是把隧道的断面作为比较依据，截取断面的时候需要知道截取位置处隧道的空间姿态，这就需要拟合出一条空间曲线表示隧道的空间姿态和走势，即称为隧道的中心线，而且中心线可以为后期隧道里程计算等提供依据[9]。

3 现场测试

本文选择广州地铁某在建地铁隧道进行现场测试，选用奥地利瑞格公司RIEGL VZ400三维激光扫描仪进行数据采集。该仪器的主要技术指标如表1所示。

RIEGL VZ400主要技术指标 表1

根据现场踏勘情况，本次实验共选择了5个扫描站点，每一测站先进行概略粗扫描，再进行精扫描，精扫描的分辨率设置为30 m处0.03°，并保证相邻测站间的标靶通视，且不在一条直线上。本实验所用球形标靶如图3所示：

图3 标靶布设示意图

连接好电源线以及笔记本与仪器的通讯网线，打开笔记本电脑中仪器配套使用的RiSCAN PRO软件，建立工程项目，在项目属性中对扫描仪进行相关的连接方式以及扫描仪IP的设置，先粗扫再精扫，因为本实验设置的扫描分辨率较高，所以每个测站扫描时间大约有 10 min。完成5个测站的数据扫描后，便在RiSCAN PRO下进行点云的拼接及坐标系统一，本文选用基于标靶点进行不同测站点云数据的拼接的方法，先在RiSCAN PRO中找到并导出球形标靶对应的点云数据，导入到Geomagic Studio中拟合出球形标靶的球心，如图4所示。然后将结果导入到RiSCAN PRO中进行拼接，形成整体的三维点云数据，使5个测站数据都在同一坐标系下。拼接是用ICP(Iterative Close Point)算法实现，拼接的残差为 1.6 mm，可以满足实验要求。

图4 球形标靶拟合球心示意图

从图5可以看出在扫描过程中有很多不需要的噪声点云被采集，比如测站附近的实验人员、隧道内施工用的管道、线缆等等。本实验拼接了前两个测站的数据，在RiSCAN PRO软件中导出扫描数据，在Geomagic Studio中导入数据，利用软件自带的功能去掉体外孤点去掉噪声点后并进行三维建模，得到模型如图6所示。

图5 原始点云示意图

图6 三维激光点云建模效果图

按照每隔5 m测量一个断面，将先前在Geomagic Studio中创建地铁隧道的三维模型导出，并导入到RiSCAN PRO软件中，用16个间距为 5 m的平行等距离的平面去截取模型，得到16个断面的点云数据，拟合出每一个断面的中心点。中心点连接起来即可得到隧道中心线，然后根据中心线上各中心点的法向量[10]，先将法向调整为某一坐标轴的平行方向，然后用RiSCAN PRO的截取功能截取模型即可得到与隧道正交的结构断面。如图7所示：

图7 隧道点云提取断面示意图

对上文得到的结构断面进行分析，参照式(2)计算椭圆度得到结果如表2所示。

各断面椭圆度计算结果 表2

可以看到计算得到的16个断面中椭圆度最大为 0.003 5，最小近似为0，《盾构法隧道施工与验收规范》[11]给出了地铁隧道的椭圆度限值：±5‰D。结果表明，实验区段隧道断面椭圆度在地铁隧道的椭圆度限值之内。

最后拟合出椭圆的中心，得到一组中心点，设计为直线段，分析得中心线与设计较为吻合。表3为这组中心点的坐标。

中心线点坐标(部分) 表3

4 结 论

本文阐述了地面三维激光扫描系统在地铁隧道测量中的外业测量过程和内业数据处理过程，并用RIEGL VZ400三维激光扫描仪实验为例，详细地讲述了利用RiSCAN PRO软件和Geomagic Studio软件进行地铁隧道建模和测量的过程。试验证明了该方法高效、简单，可以为建立BIM提供基础模型，在工程项目中具有较强的实用性。

[1] 王文旭，蔡敏，王文江. 三维激光扫描技术在地铁调线调坡测量中的应用[J]. 城市勘测，2013(2)：96～99.

[2] GB50308-2008. 城市轨道交通工程测量规范[S].

[3] 沈剑闻. 地铁隧道椭圆度检测方法探讨[J]. 建筑监督检测与造价，2012(4)：12～14.

[4] 张朦朦，张谢东. 激光断面仪在隧道断面检测中的应用[J]. 交通科技，2014(5)：94～96.

[5] 胡琦佳. 三维激光扫描技术在隧道工程监测中的应用研究[D]. 成都：西南交通大学，2013：9～10.

[6] 康志忠，托雷，王保前等. 基于三维激光扫描的地铁隧道连续形变监测数据处理软件系统[J]. 测绘工程，2013，22(5)：82～86.

[7] 王佩军，徐亚明. 摄影测量学(测绘工程专业)[M]. 武汉大学出版社，2005，28～31.

[8] 李珵，卢小平，朱宁宁等. 基于激光点云的隧道断面连续提取与形变分析方法[J]. 测绘学报，2015，44(9)：1056～1062.

[9] 托雷. 基于三维激光扫描数据的地铁隧道变形监测[D]. 北京：中国地质大学，2012：59～60.

[10] GB50446-2008. 盾构法隧道施工与验收规范[S].

The Application of Terrestrial Laser Scanning Technology in the Subway Tunnel Completed Measurement

Xu Shaohui

(Guangzhou Metro Design and Research Institute Co.，Ltd，Guangzhou 510010，China)

This paper describes the application of terrestrial laser scanning technology in the subway tunnel completed Measurement .It describes the workflow of the use of three-dimensional laser scanner in the outside、the point cloud data processing method. And Conducted field tests in Guangzhou subway tunnel under construction，the experimental results show that this method is efficient、high-precision and detailed，it can be well used in subway tunnels completed measurements，and provides detailed basic information for the subway late construction、operation and maintenance.

three-dimensional laser scanner technology；subway tunnel；completed measurement

1672-8262(2016)05-68-05

P234.4

B

2016—04—19

许少辉(1962—)，男，高级工程师，研究方向为城市轨道交通工程管理、设计及勘测。

住房和城乡建设部2015年科学技术项目计划-研究开发项目(2015-K2-005)