三維激光掃描技術在地鐵調線調坡測量中的應用

王文旭，蔡敏，王文江

(天津市測繪院，天津 300381)

三維激光掃描技術在地鐵調線調坡測量中的應用

王文旭?，蔡敏，王文江

(天津市測繪院，天津 300381)

主要對三維激光掃描技術應用于地鐵調線調坡的關鍵技術進行了研究，探討了基于此技術的點云數據獲取的流程和斷面數據提取的方法，以天津地鐵三號線的一段區間調線調坡測量為例，同時使用三維激光掃描技術和傳統技術進行調線調坡測量，并對實測數據進行了對比；結果表明，三維激光掃描技術應用于地鐵調線調坡測量方法具有作業效率高、可靠性大、實用性強等特點，可以應用于地鐵調線調坡測量。

三維激光掃描；調線調坡；點云

1 引 言

三維激光掃描技術是一門新興的測繪技術，能快速獲得原始的測繪數據，并完整高精度地重建實體[1]。具有非接觸、精度高、速度快等特點，能大幅節約時間與成本，有效解決數字化信息采集的難題。這些優勢使其在虛擬現實、數字城市、三維傳真、文物保護、工業生產等領域有廣泛的應用，是目前國內外測繪領域研究關注的熱點之一[2，3]。

調線調坡是地鐵設計施工過程中的一項非常重要的工作，是對地鐵施工中特別是隧道盾構后所產生的線路偏移等誤差進行線路平、縱斷面的調整，以消除誤差達到合理的設計要求，滿足各種設備和車輛運行的限界要求。在對地鐵進行調線調坡測量時，采用常規測量方法獲取地鐵站點和隧道內的斷面數據效率不高，且測量數據不可重復利用。鑒于此，本文討論了采用三維激光掃描技術來進行地鐵調線調坡的測量工作，替代常規測量方法的關鍵技術，并進行了一段隧道的掃描工作，取得了滿意的結果。

2 三維激光掃描技術原理

三維激光掃描儀通過發射和接收的激光束測量物體，并利用激光束中心點來定位，計算出每個點的三維坐標。大量的點形成三維點云，并帶有強度信息和目標物體的反射率信息。通過三維激光掃描直接將各種大型的、復雜的、不規則、標準或非標準等實體或實景的三維數據完整地采集到電腦中，經過建模，構建出目標的三維實體模型。三維激光掃描點坐標計算原理如圖1所示。

圖1 掃描點坐標計算原理

目標點P的坐標可采用式(1)進行計算:

其中S為目標點P與掃描儀距離，精密時鐘控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值β。

3 三維激光掃描地鐵調線調坡測量流程

三維激光掃描的數據采集及處理主要可以分為數據采集、點云數據處理、模型數據后處理三個階段[4]。

數據采集的流程如圖2所示，控制測量可以利用經檢測合格的施工平面高程控制點作為掃描用控制點，在控制點較少的地方應進行加密控制測量。點云數據處理要經過數據預處理和多視點云數據配準兩步。數據預處理主要是對原始數據需要進行格式轉換和減少點云表面噪聲并且縮減數據量。多視點云配準是將兩個或兩個以上基于掃描儀坐標系中的三維點云數據進行轉換、統一到相同坐標系下的過程(如圖3所示)。在完成點云數據的配準后檢查點云，如發現點云中存在由于掃描死角而產生的漏掃，則需進行外業補充掃描。三維模型建立及編輯基于點云數據之上，目前主要依靠人工交互式建模，自動化程度不高。

圖2 激光掃描點云數據采集與處理流程圖

圖3 某地鐵隧道多視點云數據配準至同一坐標系

在獲得了目標的全部點云數據后，對點云濾波、拼接和配準，完畢后根據點云建模(如圖4所示)，地鐵調線調坡所要求的相關斷面數據則可在模型上或者直接利用點云提取。

圖4 根據點云數據進行三維模型建立與編輯

地鐵隧道施工由于施工誤差的原因，造成施工結果與設計不符，如果按照原設計平、縱斷面可能滿足不了建筑限界要求，這就需要做調線調坡工作。調線調坡測量包括線路中線的放樣及結構底、頂板的高程測量以及橫斷面測量。在此之前，還必須進行地下精密導線、水準測量，以建立控制網，并在此基礎上進行中線放樣、水準測量和橫斷面測量。

橫斷面一般根據設備和車輛運行的要求選擇一些測點，這些測點應是設備安裝的最不利位置。以天津地鐵圓形隧道為例:選擇底，頂，距底板面1.0 m、2.5 m、4.5 m處為測點。通過這些點可以將隧道輪廓勾繪出。隧道斷面如圖5所示，圖中Hd、Ht為底板和頂板高程，A1、A2、A3為線路中心至隧道左側橫距，B1、B2、B3為線路中心至隧道右側橫距。

圖5 隧道橫截面測量點位

橫斷面測量間距應根據隧道形狀、線路是直線還是曲線等因素決定。在實際工作中每12 m測量1個橫斷面，也可以根據現場實際情況和設計方的要求進行加密或放寬。當測量所提供的斷面數據密度不夠時，就需要進行斷面加密測量，如果采用傳統的測量方式，則需要再次進行外業測繪工作，這樣增加了很多的額外工作量和人員成本，但是采用三維激光掃描測量技術則可以避免這一類的問題。三維激光掃描技術可以一次性獲得目標表面的高密度數據，因此在進行斷面加密時可不需要再次額外進行外業測量工作，所需斷面數據可以從點云和模型中提取，可以避免多余的工作量投入。

4 實驗結果與分析

為判斷利用三維激光掃描儀進行地鐵調線調坡測量的精度和可靠性，我們選取了天津地鐵三號線的一段隧道進行對比測量實驗，該段試驗段全長約420m，采用全站儀加水準測量與三維激光掃描儀掃描同步進行的測量方式，共測量23個斷面，獲取167組對比數據。

點云配準(拼接)誤差 表1

掃描點云數據經過配準后，其控制靶標和拼接靶標的配準精度如表1所示，參考《城市軌道交通工程測量規范》GB50308-2008中對精密導線測量的主要技術要求:相鄰點的相對點位中誤差限差為σ=±8 mm，則靶標的拼接和配準誤差均在2σ以內。

隧道模型半徑 表2

利用斷面中線樁兩側各一定范圍掃描的點云進行隧道建模后，得到的隧道半徑如表2所示，隧道管片制造的內半徑為2.75 m，從表中可看出絕大多數模型的半徑與設計差值都在毫米級，只有23號斷面因為處于隧道的出洞處，所以模型半徑差達到了1.2 cm。這說明點云的內符合精度很高，能夠達到調線調坡測量的技術要求。

圖6 兩種測量結果較差分布統計直方圖

對全站儀測量結果與掃描測量結果的差值進行統計分析得出，線路中線到邊墻距離的差值均值為-4.9 mm，隧道底部和頂部的差值均值為2.2 mm，綜合兩項均值為-3.1 mm。根據《城市軌道交通工程測量規范》GB50308-2008中對結構斷面測量的主要技術要求:斷面點與線路中線法距測量中誤差限差和地板高程測量中誤差限差為σ=±10 mm，以2σ為差值限差，則樣本可信度為88.6%。綜上所述，經過初步的驗證，認為三維激光掃描技術和方法用于地鐵的調線調坡測量是可行的。

5 結 論

綜上所述，通過將激光掃描技術在天津地鐵三號線的一段區間的調線調坡測量的對比實驗，說明此項技術應用于地鐵調線調坡測量具有作業效率高、可靠性高、實用性強，可以用于地鐵的調線調坡測量。但是在以后的生產中還有一些其他方面的技術有待開發和提高，如斷面數據自動提取的算法和程序的實現，點云自動配準的算法和程序實現等。

[1] 李清泉，楊必勝，史文中等.三維空間數據的實時獲取、建模與可視化[M].武漢：武漢大學出版社，2003，236～237

[2] 張祖勛，張劍清.城市建模的途徑與關鍵技術[J].世界科技研究與發展，2003，03：23～29.

[3] 王繼周，李成名，林宗堅.城市三維數據獲取技術發展探討[J].測繪科學，2004，29(4)：71～74.

[4] 蔡潤彬.地面激光掃描數據后處理若干關鍵技術研究[D].上海：同濟大學，2008，13～26.

[5] 劉春，張蘊靈，吳杭彬.地面三維激光掃描儀的檢校與精度評估[J].測繪通報，2009，11：1～9.

[6] 宋宏.地面三維激光掃描測量技術及其應用分析[J].測繪技術裝備，2008，10(2)：40～43.

[7] 楊偉，劉春，劉大杰.激光掃描數據三維坐標轉換的精度分析[J].工程勘察，2004，3：61～63

[8] 鄭德華，沈云中，劉春等.三維激光掃描儀及其測量誤差影響因素分析[J].測繪工程，2005，14(2)：32～35

The Application of 3D Laser Scanning Technology in Subway Route Ad justment of Alignment and Gradient M easurement

Wang Wenxu，CaiMin，Wang Wenjiang
(Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 300381，China)

The papermainly studied on the key technology of3D laser scanning technology applied in subway adjustment of route alignment and gradient，investigated the acquisition process of point cloud data and extraction method for cross-section data based on this technology，for the sample of route adjustment of alignment and gradientmeasurement in a range of Tianjin subway line 3，used both 3D laser scanning technology and traditional techniques，and compared the measured data；The results showed that themethod using 3D laser scanning technology applied in subway route adjustment of alignmentand gradientmeasurement iswith characteristics of high efficiency，reliability，practicality and it can be used in subway route adjustment of alignment and gradientmeasurement.

3D laser scanning；Adjustment of route alignment and gradient；Point cloud

1672-8262(2013)02-96-04

P234.4

B

2012—07—11

王文旭(1975—)，男，高級工程師，主要從事精密工程測量和測繪技術管理工作。