三維激光掃描技術在隧道工程竣工測量中的應用研究

孔祥玲，歐斌

(重慶市勘測院，重慶 400020)

三維激光掃描技術在隧道工程竣工測量中的應用研究

孔祥玲?，歐斌

(重慶市勘測院，重慶 400020)

應用研究與生產相結合的方法，介紹了地面三維激光掃描技術在城市軌道交通隧道工程竣工測量中的數據采集流程，并對采集數據進行拼接裁剪、圖形定位、影像匹配、抽稀和線狀地物提取等操作，討論了三維激光掃描技術在隧道竣工測量領域內應用的可行性、技術優勢、測量方法和數據處理方法。

三維激光掃描；軌道交通；隧道竣工測量；點云數據

1 引 言

三維激光掃描技術是近年發展起來的一門新技術，以高精確、快速、海量、無接觸測量等優勢在眾多領域發揮著越來越重要的作用。三維激光掃描測量依靠其硬件性能與獲取數據方式的特點，大大彌補了傳統測量方法的不足。在硬件方面，激光掃描儀采用半導體激光器，激光方向性好，光功率高，使得測量儀器分辨率高，穩定性好，測量精度高。在數據獲取方面，激光掃描測量的數據獲取方式靈活，不需要接觸物體，避免了接觸測量可能對被測物體表面帶來的損害，提高了檢測速度。與其他非接觸式測量方法相比，該技術具有較大的偏置距離和測量范圍，對某一區域掃描時，采集點位密度大，數據信息豐富，可以更真實地反映現實環境；測量準確度高，特別適合測量表面復雜的物體及其細節的測量，實現目標的精細化測量；測量速度快，節約大量的時間，使工作效率提高，勞動強度降低，投入費用也有減少；抗干擾性好，在昏暗的條件下或者夜間都不影響測量。

建設城市軌道交通，是城市現代化交通發展的必然選擇，也是有效解決“大城市交通病”的首要選擇。縱觀國內外大城市交通發展經驗，城市軌道交通已經成為提升城市功能和形象、拉動城市經濟、拓展城市框架、繁榮城市商貿、改善居民生活、提升土地和基礎設施等城市資源價值的強力杠桿。軌道交通線路，部分位于地下隧道中，根據政府管理的需要，必須進行規劃竣工測量。本文根據城市軌道交通規劃竣工測量的要求，結合重慶地鐵一號線工程，采用RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀，引入了激光三維掃描技術在隧道竣工測量中的應用研究。

2 項目概述

重慶地鐵一號線是重慶軌道交通規劃線路的重要干線，先期建設的一期工程，東起渝中區小什字、西至沙坪壩，途經渝中區、九龍坡區、高新區和沙坪壩區，全長16.5 km，沿線設14座車站，其中有4座換乘站，是貫穿主城核心區東西方向的軌道交通主干線路，其線路和車站全部位于地下隧道中，如圖1所示。地鐵一號線一期工程是目前全國運行速度最快、爬坡能力最強、隧道埋深最深的地鐵之一。同時，也是國內第一條建成通車的山地城市地鐵線路。

圖1 重慶地鐵一號線一期工程線路及車站分布圖

地鐵一號線一期工程竣工地形測繪的比例尺為1∶500，基本等高距為0.5 m，高程注記至厘米。竣工測繪的內容主要包括:線路軌道竣工測量，區間隧道、車站和附屬建筑結構竣工測量。

3 RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀

RIEGL VZ-1000三維激光掃描成像系統擁有RIEGL獨一無二的全波形回波技術(waveform digitization)和實時全波形數字化處理和分析技術(on-line waveform analysis)，每秒可發射高達300，000點的纖細激光束，提供高達0.0005°(1.8″)的角分辨率。這種高精度高速激光測距及可同時探測到多重乃至無窮多重目標的細節信息技術優勢，是傳統單次回波反映單一物體技術所無法比擬的。除此以外，基于RIGEL獨特的多棱鏡快速旋轉掃描技術，它能夠產生完全線性、均勻分布、單一方向的掃描激光點云線。通過與“云臺”配合測量，可以對隧道進行360°全圓掃描，獲取全方位點云數據。

4 外業數據采集

竣工測量區域涉及軌行區和車站，由于白天試車無法施測，測量工作只能在夜間進行，隧道內通視條件較差，濕度大，空氣流動性差，且存在施工干擾，測量難度很大。根據工程的特點，在隧道內采用RIEGL VZ-1000激光掃描儀配合“云臺”測量技術，進行全方位數據采集。掃描步驟主要包括如下4步:

(1)在控制點上架設激光掃描儀，對其進行嚴格的對中整平。

(2)根據隧道復雜程度和工程要求對相應的主要參數進行設置，包括掃描距離、掃描范圍、掃描點云間隔等。

(3)在掃描過程中實時監控掃描數據情況，保證獲得較好的掃描數據，在掃描結束后對獲取的數據進行檢查，保證數據的完整性。

(4)在掃描結束后，對掃描范圍內進行拍照，獲取影像數據。

由于RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀具有無需后視定向，只需要保證兩站掃描數據具有30%的重疊區域，就可以在內業處理時進行自動拼接。因此在外業測量時，除在已知點上設站外，也可以在任意位置設置，較大的縮短了外業測量的時間。

為了真實反映隧道內情況，在掃描時設置采樣間隔為100 m處0.03 m的間隔進行掃描，采用這種采樣間隔設置主要是在保證測量數據滿足工程要求精度的情況下，盡可能反映真實地形情況和保證工作效率。

5 數據處理

5.1 數據拼接和裁剪

內業數據處理時，將RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀掃描的數據導入到RIEGL自帶的點云處理軟件RISCAN PRO對掃描數據進行處理。由于在外業數據采集時，未進行坐標定位和后視定向，每站采集的點云數據在各自的坐標系統里，各站之間是相互獨立的，因此需要對點云數據進行拼接，使點云數據合并到同一坐標系下。

采用RISCAN PRO點云處理軟件的Registration模塊對點云數據進行拼接。首先對在已知點上設站掃描數據中輸入設站點和后視點坐標，并以此掃描數據為基礎數據，基礎數據作用是使自由設站的點云數據以基礎數據的坐標系統為依據進行拼接。其次是對自由設站掃描數據進行平移和旋轉，軟件根據每站數據之間30%的重疊區域數據特征進行自動拼接，最終得到整體的點云數據，拼接之后得到的點云數據如圖2所示。經檢查，該工程的拼接精度為5 mm。

圖2 拼接后整體點云數據(部分)

5.2 影像匹配

點云數據本身沒有顏色，并不直觀，因此需要對點云數據進行影像匹配。通過掃描時獲得影像數據，應用RISCAN PRO的Image Registration模塊對點云數據進行影像匹配，獲取點云的顏色信息。

圖3 影像匹配后點云數據(部分)

5.3 點云數據抽稀

由于掃描的點云數據間隔小，數據量大，需要對數據進行抽稀，得到適合建構筑物點位提取的有效數據。因此對處理后的點云數據以0.05m間隔進行抽稀，抽稀后的點云數據，作為竣工圖提取相關信息的原始數據。

5.4 線狀地物提取

在RISCAN隨機自帶軟件中，提取軌道的平面位置和軌頂標高、軌道的道岔、消火栓、行車信號燈等特征點。地下區間隧道和地下車站及附屬設施提取隧道內側的平面位置、高程，隧道底高、起拱高與頂高，同時對車站出入口、通道和風道結構的平面位置和高程進行數據提取，形成隧道平面圖，對特征部分進行注記。將提取的平面圖疊加在隧道對應地面的地形圖上，形成竣工地形圖，提交規劃管理部門驗收。

圖4 隧道特征線提取(部分)

圖5 隧道斷面線提取(部分)

6 結 語

本次針對三維激光掃描系統在軌道交通隧道工程竣工測量中的應用進行了研究，提出了該技術在隧道竣工測量中的數據獲取和數據處理方法，說明三維激光掃描技術在隧道竣工測量中應用的可行性。通過三維激光掃描技術獲取了隧道的點云數據，為大量的后續隧道數字化建設任務提供了數據基礎，是實施全方位隧道維護戰略、提高隧道設施維護經濟效益的保證。

[1] 肖書安，張正祿.高速鐵路隧道竣工測量新技術[J].鐵道標準設計，2007(9)：72～74.

[2] 歐斌，黃承亮.三維激光掃描技術在分方測量中的應用研究[J].城市勘測，2012(2)：123～125.

[3] 秦長利.城市軌道交通工程測量[M].武漢：武漢大學，2005.

[4] 馬立廣.地面三維激光掃描測量技術研究[D].武漢：武漢大學，2005.

[5] 鄭德華，雷偉光.地面三維激光影像掃描測量技術[J].鐵路航測，2003，(2)：26～28.

[6] 鄭德華，沈云中，劉春.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)：32～34.

The Application and Research of 3D Laser Scanning Technology in Finish Tunneling Survey

Kong Xiangling，Ou Bin
(Chongqing Surveying Institute，Chongqing 400020，China)

The research and application of themethod of combining the production，it introduced 3D laser scanning technology of the data collection process in urban rail traffic finish tunneling survey，and operated to registration、cutting、placed images、imagematching、vacation and Line features extraction to collect data，discussed about feasibility of application、Technological advantage、measuring method and data processing method of 3D laser scanning technology in the finish tunneling survey field.

3D laser scanning；Rail transit；Finish tunneling survey；Point clouds data

1672-8262(2013)02-100-03

P235

A

2012—07—18

孔祥玲(1973—)，女，高級工程師，主要從事工程測量工作。