地铁隧道限界测量中三维激光扫描技术的应用

蒋俊

中铁十二局集团有限公司 山西太原 030032

开展的地铁隧道工程会根据施工条件、施工区域地理环境的不同，所应用的施工技术也存在极大的差异性。地铁隧道施工工程的开展具备复杂性高、施工规模大、技术要求高以及施工条件差的特征。

1 三维激光扫描技术应用原理

该技术的应用主要是利用脉冲测距方法，测出仪器到P点值的距离，距离用s表示，二者之间的横向角度以及纵向角度分别用α以及θ所表示，利用横向角度α、纵向角度θ以及二者距离S即能求出P点的坐标。扫描测量坐标计算公式如下所示：

2 三维激光扫描技术应用于地铁隧道限界测量中的适用性

2.1 三维激光扫描技术极为先进

该扫描技术是一种全自动、高精度以及高密度的立体型激光扫描技术。三维激光扫描技术的扫描速度能够达到一秒百万点，通过对扫描目标进行全覆盖形式、高分辨率的三维激光点获取扫描，继而实现对扫描目标的三维实景影像模型成图，以便于技术人员对于其进行后期数据技术分析。三维激光扫描技术与传统限界测量手段相比较而言，三维激光扫描技术不仅是国际上先进知名的立体扫描技术，同时三维激光扫描技术也具备数据获取高效、采样分辨率极高以及能够自动生成三维断面影像模型的优势[1]。

2.2 三维激光扫描误差来源及控制措施仪器设备

三维激光扫描出现误差有两种因素：一是系统误差，二是偶然误差、系统误差主要是因仪器设备自身因素导致，如仪器设备老化。具体而言，系统误差有角度测量误差与精度误差。偶然误差也可以称之为随机误差，其偶然误差与隧道壁发射面、标靶获取以及测量环境有很大关系。在地铁隧道界限测量中明确要求50m单位范围内的定位精度需控制在0.5mm。结合背着实际工作经验，笔者总结出一下误差控制措施：

第一，在测量前对三维激光扫描仪进行调校与检定，这样可以有效减少因设备因素引发的误差；

第二，增设分站式稻苗站点，这样可以缩短扫描距离，从而减少因测距原因导致的误差；

第三，将标靶与测站建设在基桩控制点上。通常情况下，地铁隧道工程施工完工之后都是以无砟轨道铺设和运营维护的基准。根据隧道断面尺寸的大小，将三维激光扫描仪将设在基桩控制网基标点，并以15-20m为单位距离设置测站。之所以设置标靶，是因为测站点云数据拼接和点云数据精度检验的需求。因此，标靶的布设也是以15-20m为单位距离。

第四，点云数据应存在一定的重叠度。换言之，也就是每个测站扫描的电晕数据要有20-30%的重叠度，从而保障点云数据的精准度。

3 维激光扫描技术应用与地铁隧道限界测量中的应用流程

3.1 点云数据获取

为了保证三维激光扫描技术获取点云数据连续性，确保其获取点云数据的可靠性，技术人员可采用分站式扫描手段，将三维扫描仪以及标靶驾设置在基桩控制点上部，利用前后标靶设置实现坐标的获取以及定向，之后开展对地铁隧道的单站扫描，在单站扫描完成后，需要借助后视标靶进行移动，同时将扫描仪也要移动至下一检测站，数据获取人员需要在每观测完3单站后就将点云数据进行下载存储，以防点云数据丢失[2]。为了有效降低点云数据获取过程中产生的误差，数据获取人员需要了解到测量相隔距离越远，所涉及到的测距误差也就越大，为了保证点云数据质量需要将测量距离设置在20m作用，测量单站尽可能设置在通视条件较为良好的区域，单站内需要均匀布置三个以上的和白标靶。

3.2 点云数据处理

点云数据处理主要开展与内业数据处理环节中，对获取到的点云数据质量进行检查，检查不合格重新进行获取，质量合格的点云数据则直接进入下一处理环节点云配准拼接环节，再经由点云去噪过滤环节处理后，确保三维建模质量。

（1）点云数据质量检查环节。第一，对每一测站观测的点云数据进行完整性检查，检查每一单站预设区域的扫描是否实现全覆盖，是否存在由于障碍物导致形成孔洞。第二，对每一测站观测的点云数据进行标靶坐标精度检查，通过将标靶点云中心与已知控制点坐标进行对比，检查其坐标精度。第三，对每一测站观测的点云数据进行密度检查，确保提取到的点云数据满足实际断面的最小密度需求[3]。

（2）点云配准拼接环节。利用自动拼接软件以及人工微调手段实现点云数据的配准拼接。自动拼接软件系统在保证坐标系统以及已知控制点坐标一致下完成系统拼接，人工配准法则对配准拼接成果进行微调。

（3）点云去噪过滤环节。第一，混合噪点声的出现，主要是由于测量仪与被测表面较为接近，可利用过滤算法实现对混合噪点声的处理。第二，分离噪声点的出现，主要是由于测量仪与被测表面分离悬于空中，继而导致噪点声的出现。可利用360°采集的全景影像点云数据实现对分离噪声点的处理。

3.3 隧道限界分析

（1）隧道轴线对比。在系统内部导入的地铁隧道轴线设计数据，利用徕卡隧道形变监测系统对地铁隧道轴线设计数据实现云轴线的自动提取，将提取的云轴线与设计中性线进行对比。

（2）横断面对比。第一，利用点云聚类快速收敛的系统软件将设计断面自动形成横断面。第二，将设计断面与横断面进行比较，得出其中的偏差值，评定地铁隧道的开挖质量。

对地铁轨道工程的竣工验收以及日常运维都要进行限界测量，利用三维激光扫描仪进行断面测量，能够节约人力物力，全面提升断面测量的效率以及速度。