三維激光掃描技術(shù)支持下的地鐵工程測(cè)量實(shí)施方法

施秋劼

（北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100101）

一、三維激光掃描技術(shù)

（一）系統(tǒng)原理

目前，三維激光掃描技術(shù)發(fā)展速度比較快，所涉及的應(yīng)用學(xué)科比較多，有著較強(qiáng)的學(xué)科應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。但是傳統(tǒng)的工程測(cè)繪技術(shù)相比，三維激光掃描技術(shù)在工作模式上有著一定的差異性，該技術(shù)的應(yīng)用能夠完成大規(guī)模范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集，進(jìn)而獲得三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，提升測(cè)量的精準(zhǔn)性。三維激光掃描技術(shù)是掃描儀通過(guò)發(fā)射高頻激光脈沖，測(cè)量每個(gè)激光脈沖從發(fā)出經(jīng)被測(cè)物體表面返回儀器所需的時(shí)間差來(lái)計(jì)算距離S，同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖橫向角度值α 及縱向角度觀測(cè)值θ，以儀器中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，按下式可計(jì)算出采樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)：

在運(yùn)用該技術(shù)的過(guò)程中，在考慮測(cè)量點(diǎn)三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性時(shí)，工作人員要先明確測(cè)量點(diǎn)至設(shè)備之間的實(shí)際距離，同時(shí)還要注意，在對(duì)相同的測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行不同方式的測(cè)距時(shí)存在不同的精度。因此，工作人員務(wù)必要深入探析該技術(shù)的系統(tǒng)原理，以便優(yōu)化選擇最適合的測(cè)距方式，有效提升設(shè)備測(cè)量精準(zhǔn)度。

（二）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

通常情況下，三維激光掃描技術(shù)是利用直線數(shù)據(jù)采集方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，具備一定的次序關(guān)系。通過(guò)掃描獲得云數(shù)據(jù)構(gòu)成像素點(diǎn)，具體的排列方式主要是根據(jù)矩陣的方式進(jìn)行依次排列。在市政道路工程中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，既能夠獲得目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的相關(guān)信號(hào)，同時(shí)還能夠獲取相關(guān)的激光反射強(qiáng)度信息、顏色信息以及空間坐標(biāo)等，以此明確更加精確的掃描數(shù)據(jù)。一般情況下，數(shù)據(jù)是通過(guò)保存為純文本TXT的格式進(jìn)行儲(chǔ)存的，該技術(shù)的應(yīng)用能夠在獲取相關(guān)空間數(shù)據(jù)時(shí)體現(xiàn)出密度高、數(shù)據(jù)量大以及立體化的特點(diǎn)。除此以外，工作人員應(yīng)建立三維數(shù)字模型，經(jīng)過(guò)相關(guān)的數(shù)字處理評(píng)估流程，充分發(fā)揮在數(shù)據(jù)采集工作中的應(yīng)用價(jià)值。

二、三維激光技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用分析

（一）測(cè)繪地形圖

現(xiàn)如今，三維激光掃描技術(shù)廣泛應(yīng)用于道路工程地形圖測(cè)繪中，在開(kāi)展道路工程測(cè)繪工作的過(guò)程中常常受到一些條件的限制，包括交通復(fù)雜、車(chē)流和人流眾多等，盡管測(cè)繪人員能夠在實(shí)地開(kāi)展測(cè)繪工作，但事實(shí)上對(duì)于自身安全有著極大的隱患。而三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用能夠代替人工實(shí)地測(cè)繪，高效地完成道路地形的測(cè)量以及繪制工作，此舉對(duì)于減輕人工的壓力，降低人工成本有著重要

意義。道路工程地形圖測(cè)繪中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用主要可以分為三個(gè)步驟，首先是用三維激光掃描進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，其次是針對(duì)數(shù)據(jù)開(kāi)展相應(yīng)的處理工作，最后便是將地貌提取出來(lái)，便能夠獲得較為精確的地形圖。

（二）道路工程等高線生成

三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用能夠助力道路工程等高線的生成，主要便是在原有的地形圖上去除掉一些無(wú)關(guān)緊要的建筑以及植被等地物。以往在獲取道路工程等高線的過(guò)程中，通常都是采用自動(dòng)以及人為的方式將無(wú)關(guān)地物除去，進(jìn)而得到相應(yīng)的地貌圖，在完成數(shù)據(jù)計(jì)算工作之后，上傳以及處理，周而復(fù)始，便可最終在構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)的基礎(chǔ)上獲得相應(yīng)的等高線。三維激光技術(shù)相比上述傳統(tǒng)的等高線獲取方法具有更多的優(yōu)勢(shì)，包括精準(zhǔn)度更高、工作量更少，所得出的地形地貌更加清晰。

（三）計(jì)算土方工程

土方工程中目前最常用的測(cè)量方式就是三維激光掃描技術(shù)。之前常用的測(cè)量方式有全站儀、GPS 等等，通過(guò)這些技術(shù)獲取目標(biāo)地面高程的差異信息，從而通過(guò)數(shù)據(jù)建立TIN 模型，最終計(jì)算出土方量。采用這些傳統(tǒng)的技術(shù)采取的數(shù)據(jù)精確度低，而消耗時(shí)間長(zhǎng)，實(shí)際采樣的間隔大。然而三維激光技術(shù)的應(yīng)用，能夠使得數(shù)據(jù)精確度高，時(shí)間少，工作效率大大提升，保證土方工程的計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。測(cè)量過(guò)程中，首先需要構(gòu)建基準(zhǔn)面，使工程項(xiàng)目的坐標(biāo)系與真實(shí)數(shù)據(jù)相匹配，從而構(gòu)建好三角網(wǎng)模型，與基準(zhǔn)模型相減，最終得到土方量的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術(shù)在土方工程計(jì)算中發(fā)揮著重要的作用，能夠打破傳統(tǒng)的測(cè)量方式，避免出現(xiàn)錯(cuò)誤，從而大大提升工程項(xiàng)目建設(shè)的效率，還能降低成本，為建設(shè)工程帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，這是我國(guó)土方工程中的一重大突破性進(jìn)展。

（四）道路工程變形監(jiān)測(cè)

將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于道路變形監(jiān)測(cè)中，能夠構(gòu)建起更加系統(tǒng)的道路三維數(shù)據(jù)模型，針對(duì)整個(gè)道路開(kāi)展周期性掃描工作，進(jìn)而獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)設(shè)備內(nèi)部處理器的應(yīng)用，將相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagicstudio 內(nèi)，可以建立起更加具體的三維數(shù)據(jù)模型，高效開(kāi)展數(shù)據(jù)采集、處理以及評(píng)估等工作。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中，將三維激光技術(shù)設(shè)備安置在所要勘測(cè)道路的周?chē)?，確保測(cè)量視野的開(kāi)闊性，在道路周?chē)O(shè)置六個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，工作人員主要從以下三方面入手，首先對(duì)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接和糾正，其次是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波過(guò)程，最后是數(shù)據(jù)的縮減過(guò)程。針對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)開(kāi)展與處理的工作中，大多是運(yùn)用人工的手段刪除多余的測(cè)量點(diǎn)，然后需要分析點(diǎn)云數(shù)據(jù)的誤差，依據(jù)誤差理論展開(kāi)探究。

（五）構(gòu)建三維模型

三維激光掃描技術(shù)還應(yīng)用到了文物保護(hù)工作中，它能在不觸碰文物的情況下進(jìn)行測(cè)量，從中獲取相關(guān)的云數(shù)據(jù)，根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)模型，構(gòu)建出精確三維形狀，還原文物的基本特征和文物的紋理特點(diǎn)，為文物的保護(hù)起到重要的作用。

三、三維激光掃描技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用

（一）工程概況

深圳市城市軌道交通14 號(hào)線沙湖站位于坪山大道與榮昌路交叉口，沿坪山大道東西方向布置，為地下雙層島式曲線車(chē)站，與規(guī)劃地鐵19 號(hào)線通道換乘。車(chē)站主體長(zhǎng)288m，中心里程為DK38+122.358，車(chē)站有效站臺(tái)長(zhǎng)度186m，車(chē)站左線線路中心線半徑為1500m，車(chē)站范圍內(nèi)頂板現(xiàn)狀覆土厚度為2.9～3.2m。車(chē)站主體結(jié)構(gòu)采用明挖法施工，主體基坑外圍周長(zhǎng)638.781m，基坑深度為17.55m～19.16m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬度為21.83m，盾構(gòu)段基坑寬度為26.6m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1000mm@750mm 鉆孔咬合樁，設(shè)置三道支撐，采用坑內(nèi)降水方案。

（二）施測(cè)組織

沙湖站車(chē)站主體長(zhǎng)288m，測(cè)量作業(yè)前收集了地下控制點(diǎn)數(shù)據(jù)等資料。為保證測(cè)站拼接的準(zhǔn)確性，使相鄰測(cè)站保持一定的影像重疊度，根據(jù)隧道環(huán)境和地下控制點(diǎn)分布情況預(yù)計(jì)共需測(cè)量52 站、使用了黑白平面標(biāo)靶24個(gè)。

三維激光掃描遵循相鄰測(cè)站使用不低于3 個(gè)公共靶球連接的形式，用全站儀獲取黑白平面標(biāo)靶中心的坐標(biāo)后進(jìn)行絕對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。本次掃描按每站小于30m 實(shí)施，黑白平面標(biāo)靶距離掃描儀均小于15m。掃描時(shí)靶球和平面標(biāo)靶均保持靜止。

（三）數(shù)據(jù)預(yù)處理

本次掃描共完成52 站，設(shè)置平面標(biāo)靶24 個(gè)，共獲取31GB 外業(yè)數(shù)據(jù)。利用公共靶球的高對(duì)比度的特性實(shí)現(xiàn)掃描影像的定位以及掃描和影像之間的匹配，選取靶球作為拼接的公共參照點(diǎn)，利用TrimbleRealWorks 中的自提目標(biāo)配準(zhǔn)功能并結(jié)合手動(dòng)目標(biāo)分析器功能利用相鄰測(cè)站的公共靶球進(jìn)行測(cè)站配準(zhǔn)拼接，使相鄰點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一相對(duì)坐標(biāo)系下；測(cè)站拼接完成后導(dǎo)入全站儀獲取的平面標(biāo)靶中心坐標(biāo)，以平面標(biāo)靶中心坐標(biāo)為基準(zhǔn)將獲取的全部點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一至絕對(duì)坐標(biāo)系中；經(jīng)檢查，各測(cè)站最大配準(zhǔn)殘差為3.16mm，總體殘差為2.33mm，滿足本次測(cè)量的要求。因受測(cè)站周邊環(huán)境影響，所獲取的點(diǎn)云存在與反射面有關(guān)的干擾數(shù)據(jù)，影響后續(xù)的斷面切片擬合的精度。利用TrimbleRealWorks的點(diǎn)云分割工具對(duì)點(diǎn)云噪點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記分類并剔除，提取屬性相同且臨近隧道壁的點(diǎn)云后進(jìn)行要素分離和要素識(shí)別，然后作為下一步處理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。為降低工作站數(shù)據(jù)處理的負(fù)載，優(yōu)化數(shù)據(jù)處理的進(jìn)度，對(duì)本次獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)按50%的比例進(jìn)行取樣抽稀后滿足后續(xù)獲取該區(qū)間任意截面數(shù)據(jù)的要求。

（四）點(diǎn)云切片提取擬合

以錄入的曲線參數(shù)為依據(jù)，從相鄰環(huán)片拼接處提取點(diǎn)云切片數(shù)據(jù)，間距為1.5m，共提取1615 個(gè)切片數(shù)據(jù)。點(diǎn)云斷面切片數(shù)據(jù)提取完成后，對(duì)已提取的切片進(jìn)行擬合，從而得到各擬合點(diǎn)至線路中線的橫距及隧道頂?shù)赘叱绦畔?，同時(shí)可獲取隧道中線的逐樁坐標(biāo)值。擬合完成后逐步輸出設(shè)備限界、管片錯(cuò)臺(tái)、滲漏水等數(shù)據(jù)。

（五）設(shè)備限界處理

廣州地鐵18 號(hào)線是廣州首條時(shí)速160 公里的市域快線，整列車(chē)采用8節(jié)編組D 型車(chē)。設(shè)備限界位于車(chē)輛限界外的一個(gè)輪廓線，是用以限制設(shè)備安裝的控制線。限界的基準(zhǔn)坐標(biāo)系：垂直于直線軌道線路中心線的二維平面直角坐標(biāo)，橫坐標(biāo)軸（X 軸）與設(shè)計(jì)軌頂平面相切，縱坐標(biāo)軸（Y 軸）垂直于軌頂平面，該基準(zhǔn)坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)為軌距中線點(diǎn)。

將D 型車(chē)限界信息輸入數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，經(jīng)軟件自動(dòng)分析萬(wàn)橫區(qū)間右線各環(huán)限界值，共計(jì)形成1615 個(gè)限界信息數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)緊張限界最小值。

（六）管片錯(cuò)臺(tái)處理

盾構(gòu)法施工小曲率半徑隧道時(shí)，掘進(jìn)施工軸線控制較難，很容易造成盾構(gòu)偏離軸線以及糾偏困難等問(wèn)題，影響隧道施工速度及管片拼裝及隧道結(jié)構(gòu)質(zhì)量。在盾構(gòu)施工中，盾構(gòu)管片是盾構(gòu)施工的主要裝配構(gòu)件，是隧道的最外層屏障，承擔(dān)著抵抗土層壓力、地下水壓力以及一些特殊荷載的作用。盾構(gòu)管片質(zhì)量直接關(guān)系到隧道的整體質(zhì)量和安全，影響隧道的防水性能及耐久性能。此類問(wèn)題會(huì)影響隧道走向、凈空，還會(huì)引起管片破裂并破壞管片結(jié)構(gòu)，從而給隧道的防水帶來(lái)隱患。

將預(yù)處理后的點(diǎn)云切片數(shù)據(jù)輸入至數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，將隧道截面等分150 份，自動(dòng)采集相鄰管片銜接處的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并自動(dòng)判斷至隧道中線的距離，通過(guò)判斷距離差值得出管片錯(cuò)臺(tái)數(shù)據(jù)。萬(wàn)橫區(qū)間右線獲取共計(jì)1615環(huán)的管片錯(cuò)臺(tái)數(shù)據(jù)。

（七）滲漏水成果處理

隧道的滲漏水會(huì)導(dǎo)致混凝土的襯砌風(fēng)化以及剝蝕，襯砌的結(jié)構(gòu)會(huì)受到一定程度的影響；隧道的滲漏水會(huì)直接軟化圍巖，圍巖因此變形；部分的隧道所滲出的水中含有侵蝕性，一般的襯砌混凝土以及砌筑砂漿都會(huì)因此受到相對(duì)程度的腐蝕和損害，襯砌的承受能力大幅度的降低；隧道的滲漏水會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部潮濕，影響內(nèi)部的使用設(shè)備，包括通訊、照明、鋼軌等設(shè)備的正常使用，內(nèi)部潮濕會(huì)降低內(nèi)部區(qū)線路的使用壽命，這樣一來(lái)就會(huì)增長(zhǎng)維修的費(fèi)用。

將獲取的全部點(diǎn)云數(shù)據(jù)形成灰度圖像，對(duì)于明暗差異較大疑似滲漏水的區(qū)域進(jìn)行系統(tǒng)自動(dòng)判斷結(jié)合人工識(shí)別的方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并量測(cè)滲漏水發(fā)生的區(qū)域及面積。經(jīng)統(tǒng)計(jì)萬(wàn)橫區(qū)間右線共有13 處存在滲漏水情況，滲漏發(fā)生面積0.11 m2～10.24 m2不等。

結(jié)語(yǔ)：總之，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，是信息化施工的一個(gè)方向，同時(shí)也是控制成本的一個(gè)新技術(shù)。三維激光掃描技術(shù)憑借更加便捷、精度高以及準(zhǔn)確性強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)于道路工程測(cè)繪等各方面工作的高效完成有著積極的促進(jìn)作用。因此，有關(guān)人員要加強(qiáng)對(duì)該技術(shù)的重視程度，加強(qiáng)在道路工程中的應(yīng)用，以推動(dòng)我國(guó)道路工程的現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程。