徕卡P50三维激光扫描仪在地铁隧道竣工测量中的应用

罗喻真 杨 统 加 松

（1.武汉大学测绘学院，湖北 武汉 430072；2.武汉天测测绘科技有限公司，湖北 武汉 430074）

0 引言

采用三维激光扫描技术对已竣工隧道内部整体进行扫描，利用隧道内部点云进行管片椭圆度分析、管片错台测量等，既对竣工后隧道内部三维点云数据进行数字存档，又便于计算和分析。因此，三维激光扫描技术成为隧道竣工测量的重要技术［1］。

目前，有很多学者对三维激光扫描技术在隧道竣工测量中的应用进行研究。谢雄耀等［2］利用地面三维激光扫描仪对隧道进行扫描，用圆柱面拟合和椭圆拟合算法进行建模，并验证隧道扫描精度与传统全站仪的测量精度是否相当。梅文胜等［3］将轨检小车和三维激光扫描仪进行结合，采用线扫描模式对隧道进行扫描，能大大提高扫描效率。地面扫描仪和隧道扫描小车逐渐取代全站仪，成为目前隧道竣工测量的主要工具［4-6］。

移动式激光扫描小车具有隧道扫描速度快、效率高的优点，但其价格较高，且只能在完成铺轨的隧道中使用，具有一定的局限性［7］。利用地面三维激光扫描仪对刚贯通的隧道进行隧道竣工测量，具有精度高、架站方式灵活的优点。本研究使用徕卡P50 三维激光扫描仪，结合隧道点云自动处理软件，对武汉19 号线花山新城隧道贯通隧道的管片进行逐环切片分析计算，对1.3 km 长的地铁隧道进行竣工扫描测量，效果良好。

1 徕卡P50三维激光扫描仪仪器

徕卡P50 三维激光扫描仪是一款架站式脉冲三维激光扫描仪，具有长测程、高精度的特点。徕卡P50 扫描仪的扫描速率每1 s 高达百万点，测距精度为1.2 mm+10 ppm（270 mm 模式）、测角精度为8 s、噪声精度为0.5 mm @50 m，特别适合对隧道内错台细部位置进行精确量测。

利用平差后的控制点坐标对徕卡P50 扫描仪进行设站，直接获取具有本地坐标系统的点云，无须进行坐标转换，能减少误差，提高测量精度。徕卡P50 扫描仪还具有局部精密扫描的功能，可对靶标、靶球进行精细扫描，扫描分辨率最高可达0.8 mm@10 m［8］。

2 作业流程与数据处理

在隧道扫描项目中，三维激光扫描仪的作业流程分为外业数据采集、点云预处理和点云分析。其中，数据采集包括仪器设置、靶标布设和导线点扫描，点云预处理包括点云配准、坐标转换、整体化，点云分析包括切片去噪、椭圆拟合、错台分析和渗水探测。隧道扫描项目流程如图1所示。

图1 隧道扫描项目流程

2.1 外业数据采集

为保证三维扫描仪的点云密度和精度，便于后期点云分析计算，间隔30 m 布设一个测站，沿隧道中线逐站向前测量。测站设施和靶标布设如图2所示。由于地铁隧道内的点云特征变化不显著，自动拼接功能不适合这种背景单一的场景，因此可采用黑白靶标进行拼接。每站使用4 个靶标，测站前后各放2 个靶标。搬站时，测站前的2 个靶标位置不动，将后方2 个靶标搬到新测站前方，依次扫描。扫描角度设置为全景扫描，扫描方式设置为“仅扫描不拍照”，可节省扫描时间。分辨率选择1.6 mm@10 m，灵敏度选择正常。打开过滤器，过滤掉50 m以外的点，可降低数据冗余。

图2 测站设施和靶标布设

在测量过程中，为便于后期数据处理，提高靶标测量的精度，在徕卡P50 扫描仪中选择“靶标定义”功能，利用图像选靶标位置来对靶标进行精细扫描，并对靶标编号进行命名。后期用Cyclone 软件将相邻测站的靶标自动拼接在一起。扫描仪设置如图3所示。

图3 扫描仪设置

为了将点云坐标转换到施工坐标系中，当扫描路线经过隧道中导线点时，利用基座在导线点上安置靶标，测量记录靶标到导线点的高度。在Cyclone 软件中导入导线点坐标，z坐标加上靶标高度，即可将所有点云坐标转换到施工坐标系中。

2.2 点云预处理

扫描仪中保存的数据都是自由坐标系中的点云，以扫描仪中心为坐标原点，以任意方向为x方向。在Cyclone 中，通过连接靶标和导线点上的靶标，将所有测站的点云坐标转换为施工坐标。

徕卡P50 扫描仪带有倾斜传感器，在对每个测站进行扫描前要人工整平，并自动倾斜改正，扫描仪点云坐标系以扫描仪中心为坐标原点、以垂直于大地水准面向上为z轴、以任意方向为x轴。由于所有测站的点云坐标系z轴方向一致，可为后期点云配准运算减少一个方向的变量，从而提高拼接精度。

点云预处理包括点云拼接、坐标转换和数据整体化输出，具体操作过程如下。①导入数据。将点云数据导入徕卡点云数据处理软件Cyclone 中，在数据库上右键选择“inport scanstation project”。②导入控制点。将控制点转换成.txt 文件，然后导入到Cyclone 中，要注意点号和扫描中的靶标号对应，点名选择“targetID”。③拼接点云。右键导入点云文件夹，选择“create-registration”，进入拼接界面，选择“add scanworld”选项卡，导入点云和控制点，把控制点设为主站“scanworld-home scanworld”，添加连接靶标点“constraint-auto-add constraints”，点击“registration-register”进行拼接，拼接好，右键点击“freeze registration”。④融合导出。把控制点删除，然后点击“selecte all”，再选择“merge”，将分站点云处理成整体点云。

2.3 点云分析

根据《武汉轨道交通工程隧道成型测量专项管理办法》要求，采用三维激光扫描法对隧道成型进行测量。具体测量包括逐环水平收敛、环片椭圆度、错台、渗漏水。

2.3.1 隧道收敛及椭圆度。对点云数据进行预处理，将点云文件和隧道设计图CAD 输入到隧道分析软件中，逐环沿隧道中轴线进行垂直切片，得到逐环管片的切片二维点云，将管片的二维点云进行椭圆拟合，可计算出椭圆面长轴、短轴、管片半径和椭圆度等，并逐环生成椭圆切片CAD图，如图4所示。

图4 切片椭圆拟合计算水平收敛及椭圆度

2.3.2 错台分析。通过软件分析得到各管片的里程和环号，选取管片接缝处间隔为3 cm的区域进行错台分析。利用相邻环片的断面图，以轨道中心为基准，互相叠加后得到两环片相对位置的变化情况，从而得到沿轨道方向的错台变化。设置错台阈值（10 mm），可筛选出所有错台大于10 mm 的管片位置、错台大小、错台弧长［9］。错台分析效果如图5所示。

图5 错台分析效果

2.3.3 渗漏水分析。使用软件分析渗水位置的过程如下。将三维点云变换得到二维平面点云，再转化为强度灰度图像，根据点云反射强度灰度值的变化情况，通过二值分割法来确定渗水区域［10］。由于自动选择的渗水区域可能因噪声干扰而导致错报或范围不准，要通过人工辨识来确认渗水范围，并得到隧道内渗水区域统计情况。

3 案例应用

根据区间设计专业的相关要求，在2022 年10月10 日到12 日，对武汉轨道交通19 号线花山车辆段出入段线右线隧道管片进行三维激光扫描。

三维激光扫描作业的具体里程范围为右线K11+ 710.254～K13+ 439.482，扫描作业范围为左线全长1.3 km，共1 107 环。由于隧道刚贯通不久，轨道暂未完成铺设，无法使用扫描小车对其进行扫描，因此使用徕卡P50 扫描仪以架站式扫描方式来完成作业。

3.1 外业测量与内业处理

外业工作投入2 人，一人操作扫描仪，一人布设靶标。两站的间隔为30 m，每站布设4 个靶标，用于精确的拼接点云。共扫描40个测站，用时2 d。

3.2 点云预处理

在扫描完成后，将40 个站点云数据及导线点坐标导入到Cyclone 软件中进行预处理。根据两站间的靶标，将40 个站点云配准在施工坐标系中，配准完成后，用Cyclone 整体化软件将点云处理成一个文件，并导出.ptx 格式的点云文件，如图6 所示。点云配准误差在2 mm内。

图6 Cyclone软件进行点云拼接和坐标转换

3.3 点云分析

3.3.1 隧道收敛及椭圆度。隧道收敛的要求为水平直径与设计直径较差小于5 cm，研究区间为左线1 107环，其中，水平直径与设计直径较差在5 cm 以上（含5 cm）的共0 环，水平直径与设计直径差异在5 cm 以内的共1 107 环。椭圆度在0.006 内（含0.006）的共1 090 环，椭圆度在0.006 以外的共17环。软件自动生成1 107环的隧道收敛及椭圆度检测成果表，1～6 环隧道收敛及椭圆度检测成果见表1。

表1 隧道收敛及椭圆度检测成果汇总（1～6环）

3.3.2 错台分析。根据《武汉轨道交通工程隧道成型测量专项管理办法》要求，隧道内部环片错台应小于20 mm。平均错台量统计如图7所示，对所有环片错台成果分析后发现，最大错台量为18 mm，没有超过20 mm的环片。

图7 平均错台量统计

3.3.3 渗漏水分析。经软件自动分析和人工检核后，发现渗漏水面积大于0.01 m2的渗水区域有77环。部分成果见表2。

表2 隧道渗漏水检测成果汇总（1～7处）

4 精度对比

为确保三维扫描仪测量的成果精度，用全站仪测量该隧道所有环片的水平直径，与三维激光扫描得到的环片水平直径进行差值计算，结果见表3。由表3 可知，三维激光扫描数据与全站仪测量数据的较差大部分集中在1 cm 内，较差在3 cm 内的数据占比为99.3%，精度满足隧道监测要求。

表3 三维激光扫描点云数据与全站仪测量数据差值统计

5 结语

本研究采用徕卡P50 地面三维激光扫描仪对武汉19 号线某区间地铁隧道进行扫描，通过对隧道扫描的数据采集和数据处理方法进行研究，并与全站仪测量得到的数据进行对比分析，对三维激光扫描成果的精度进行验证。结果表明，该方法操作简便，数据成果可靠，在竣工未铺轨的隧道中的应用效果良好。