地鐵隧道限界測量中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

蔣俊

中鐵十二局集團有限公司 山西太原 030032

開展的地鐵隧道工程會根據(jù)施工條件、施工區(qū)域地理環(huán)境的不同，所應(yīng)用的施工技術(shù)也存在極大的差異性。地鐵隧道施工工程的開展具備復雜性高、施工規(guī)模大、技術(shù)要求高以及施工條件差的特征。

1 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用原理

該技術(shù)的應(yīng)用主要是利用脈沖測距方法，測出儀器到P點值的距離，距離用s表示，二者之間的橫向角度以及縱向角度分別用α以及θ所表示，利用橫向角度α、縱向角度θ以及二者距離S即能求出P點的坐標。掃描測量坐標計算公式如下所示：

2 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于地鐵隧道限界測量中的適用性

2.1 三維激光掃描技術(shù)極為先進

該掃描技術(shù)是一種全自動、高精度以及高密度的立體型激光掃描技術(shù)。三維激光掃描技術(shù)的掃描速度能夠達到一秒百萬點，通過對掃描目標進行全覆蓋形式、高分辨率的三維激光點獲取掃描，繼而實現(xiàn)對掃描目標的三維實景影像模型成圖，以便于技術(shù)人員對于其進行后期數(shù)據(jù)技術(shù)分析。三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)限界測量手段相比較而言，三維激光掃描技術(shù)不僅是國際上先進知名的立體掃描技術(shù)，同時三維激光掃描技術(shù)也具備數(shù)據(jù)獲取高效、采樣分辨率極高以及能夠自動生成三維斷面影像模型的優(yōu)勢[1]。

2.2 三維激光掃描誤差來源及控制措施儀器設(shè)備

三維激光掃描出現(xiàn)誤差有兩種因素：一是系統(tǒng)誤差，二是偶然誤差、系統(tǒng)誤差主要是因儀器設(shè)備自身因素導致，如儀器設(shè)備老化。具體而言，系統(tǒng)誤差有角度測量誤差與精度誤差。偶然誤差也可以稱之為隨機誤差，其偶然誤差與隧道壁發(fā)射面、標靶獲取以及測量環(huán)境有很大關(guān)系。在地鐵隧道界限測量中明確要求50m單位范圍內(nèi)的定位精度需控制在0.5mm。結(jié)合背著實際工作經(jīng)驗，筆者總結(jié)出一下誤差控制措施：

第一，在測量前對三維激光掃描儀進行調(diào)校與檢定，這樣可以有效減少因設(shè)備因素引發(fā)的誤差；

第二，增設(shè)分站式稻苗站點，這樣可以縮短掃描距離，從而減少因測距原因?qū)е碌恼`差；

第三，將標靶與測站建設(shè)在基樁控制點上。通常情況下，地鐵隧道工程施工完工之后都是以無砟軌道鋪設(shè)和運營維護的基準。根據(jù)隧道斷面尺寸的大小，將三維激光掃描儀將設(shè)在基樁控制網(wǎng)基標點，并以15-20m為單位距離設(shè)置測站。之所以設(shè)置標靶，是因為測站點云數(shù)據(jù)拼接和點云數(shù)據(jù)精度檢驗的需求。因此，標靶的布設(shè)也是以15-20m為單位距離。

第四，點云數(shù)據(jù)應(yīng)存在一定的重疊度。換言之，也就是每個測站掃描的電暈數(shù)據(jù)要有20-30%的重疊度，從而保障點云數(shù)據(jù)的精準度。

3 維激光掃描技術(shù)應(yīng)用與地鐵隧道限界測量中的應(yīng)用流程

3.1 點云數(shù)據(jù)獲取

為了保證三維激光掃描技術(shù)獲取點云數(shù)據(jù)連續(xù)性，確保其獲取點云數(shù)據(jù)的可靠性，技術(shù)人員可采用分站式掃描手段，將三維掃描儀以及標靶駕設(shè)置在基樁控制點上部，利用前后標靶設(shè)置實現(xiàn)坐標的獲取以及定向，之后開展對地鐵隧道的單站掃描，在單站掃描完成后，需要借助后視標靶進行移動，同時將掃描儀也要移動至下一檢測站，數(shù)據(jù)獲取人員需要在每觀測完3單站后就將點云數(shù)據(jù)進行下載存儲，以防點云數(shù)據(jù)丟失[2]。為了有效降低點云數(shù)據(jù)獲取過程中產(chǎn)生的誤差，數(shù)據(jù)獲取人員需要了解到測量相隔距離越遠，所涉及到的測距誤差也就越大，為了保證點云數(shù)據(jù)質(zhì)量需要將測量距離設(shè)置在20m作用，測量單站盡可能設(shè)置在通視條件較為良好的區(qū)域，單站內(nèi)需要均勻布置三個以上的和白標靶。

3.2 點云數(shù)據(jù)處理

點云數(shù)據(jù)處理主要開展與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)中，對獲取到的點云數(shù)據(jù)質(zhì)量進行檢查，檢查不合格重新進行獲取，質(zhì)量合格的點云數(shù)據(jù)則直接進入下一處理環(huán)節(jié)點云配準拼接環(huán)節(jié)，再經(jīng)由點云去噪過濾環(huán)節(jié)處理后，確保三維建模質(zhì)量。

（1）點云數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查環(huán)節(jié)。第一，對每一測站觀測的點云數(shù)據(jù)進行完整性檢查，檢查每一單站預設(shè)區(qū)域的掃描是否實現(xiàn)全覆蓋，是否存在由于障礙物導致形成孔洞。第二，對每一測站觀測的點云數(shù)據(jù)進行標靶坐標精度檢查，通過將標靶點云中心與已知控制點坐標進行對比，檢查其坐標精度。第三，對每一測站觀測的點云數(shù)據(jù)進行密度檢查，確保提取到的點云數(shù)據(jù)滿足實際斷面的最小密度需求[3]。

（2）點云配準拼接環(huán)節(jié)。利用自動拼接軟件以及人工微調(diào)手段實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的配準拼接。自動拼接軟件系統(tǒng)在保證坐標系統(tǒng)以及已知控制點坐標一致下完成系統(tǒng)拼接，人工配準法則對配準拼接成果進行微調(diào)。

（3）點云去噪過濾環(huán)節(jié)。第一，混合噪點聲的出現(xiàn)，主要是由于測量儀與被測表面較為接近，可利用過濾算法實現(xiàn)對混合噪點聲的處理。第二，分離噪聲點的出現(xiàn)，主要是由于測量儀與被測表面分離懸于空中，繼而導致噪點聲的出現(xiàn)?？衫?60°采集的全景影像點云數(shù)據(jù)實現(xiàn)對分離噪聲點的處理。

3.3 隧道限界分析

（1）隧道軸線對比。在系統(tǒng)內(nèi)部導入的地鐵隧道軸線設(shè)計數(shù)據(jù)，利用徠卡隧道形變監(jiān)測系統(tǒng)對地鐵隧道軸線設(shè)計數(shù)據(jù)實現(xiàn)云軸線的自動提取，將提取的云軸線與設(shè)計中性線進行對比。

（2）橫斷面對比。第一，利用點云聚類快速收斂的系統(tǒng)軟件將設(shè)計斷面自動形成橫斷面。第二，將設(shè)計斷面與橫斷面進行比較，得出其中的偏差值，評定地鐵隧道的開挖質(zhì)量。

對地鐵軌道工程的竣工驗收以及日常運維都要進行限界測量，利用三維激光掃描儀進行斷面測量，能夠節(jié)約人力物力，全面提升斷面測量的效率以及速度。