利用三維激光掃描儀進(jìn)行地鐵隧道限界測量

王 敏，馮 晶，謝志海

(1.四川商務(wù)職業(yè)學(xué)院，四川 成都 610076；2.武漢海達(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223；3.四川基準(zhǔn)工程勘測有限公司，四川 成都 610072)

利用三維激光掃描儀進(jìn)行地鐵隧道限界測量

王 敏1，馮 晶2，謝志海3

(1.四川商務(wù)職業(yè)學(xué)院，四川 成都 610076；2.武漢海達(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223；3.四川基準(zhǔn)工程勘測有限公司，四川 成都 610072)

軌道交通不斷增多及其運(yùn)行速度大幅提高，無疑對軌道限界檢測的速度和質(zhì)量提出了更高的要求。如何精確、高效地采集到隧道斷面數(shù)據(jù)，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)化地獲取相關(guān)參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)分析與應(yīng)用是國內(nèi)隧道(地下空間)限界檢測目前亟需的解決方案。針對上述問題，本文結(jié)合三維激光點(diǎn)云測量技術(shù)，提供了基于地面三維激光掃描儀的一體化、智能化隧道(地下空間)限界檢測應(yīng)用整體解決方案。經(jīng)驗(yàn)證，該解決方案數(shù)據(jù)采集效率高，能夠提取更為準(zhǔn)確的斷面數(shù)據(jù)成果，并一鍵智能地輸出符合工程標(biāo)準(zhǔn)的限界檢測報(bào)表。

隧道限界測量；三維激光掃描儀；隧道斷面分析

一、引 言

隧道(地下空間)限界是指列車沿固定的軌道安全運(yùn)行時(shí)所需要的空間尺寸。近年來，我國軌道交通(地鐵、高速)建設(shè)得到了迅猛的發(fā)展，軌道交通(隧道)工程的竣工驗(yàn)收、隧道日常運(yùn)行維護(hù)等環(huán)節(jié)都需要隧道(地下空間)限界這一重要指標(biāo)。

目前已有多種隧道限界的檢測方法，但這些方法由于各自的局限無法滿足現(xiàn)階段越來越多的隧道限界檢測要求。全站儀配合反射棱鏡或反射標(biāo)靶進(jìn)行單點(diǎn)測量獲取隧道橫斷面的方法，采集密度低、速度慢、人工作業(yè)量大；近景攝影測量通過影像匹配、定向等攝影測量數(shù)據(jù)處理步驟可以較快速地獲取隧道三維模型，但是攝影測量對環(huán)境光線要求高，使此方法在隧道中的應(yīng)用受到限制；激光隧道斷面儀可以直接獲取隧道斷面，但其一次架站只能獲得一個(gè)斷面，對于長度較長、采集密度要求較高的隧道，檢測耗時(shí)較長；隧道限界檢測車可以快速、動(dòng)態(tài)地獲取等間隔隧道橫斷面，但其造價(jià)高，只能在鋪軌后才能使用，目前在我國投入使用的數(shù)量不多。

三維激光技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)的單點(diǎn)定位測量、點(diǎn)線測繪技術(shù)以及攝影測量技術(shù)，具有以下特點(diǎn)[1]：全數(shù)字特征，直接獲取三維點(diǎn)坐標(biāo)；無須太陽光或光線的特別角度；高精度高密度步進(jìn)掃描測量；掃描距離長；快速高效獲取數(shù)據(jù)等。國內(nèi)外三維激光掃描儀已經(jīng)被廣泛被應(yīng)用于文物保護(hù)、城市測量等領(lǐng)域，如國外的 Faro三維激光掃描儀，國內(nèi)的中海達(dá)LS300地面三維激光掃描儀?，F(xiàn)階段如何精確高效采集隧道斷面數(shù)據(jù)及智能化進(jìn)行隧道限界檢測分析應(yīng)用，三維激光掃描技術(shù)是有效的解決之道。本文基于此技術(shù)，提出地鐵隧道限界測量分析的高效解決方案。

二、地鐵隧道限界測量基本原理

本文基于三維激光掃描技術(shù)，結(jié)合相關(guān)處理軟件對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理及隧道限界分析，建立了基于地面三維激光掃描儀的隧道(地下空間)限界檢測數(shù)據(jù)采集、處理、分析作業(yè)流程，提供了專業(yè)的隧道限界分析處理軟件，為隧道(地下空間)限界檢測數(shù)據(jù)采集提供高效率的數(shù)據(jù)采集手段與智能分析方案。該方案采用武漢海達(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司的兩個(gè)應(yīng)用軟件：海達(dá)三維激光點(diǎn)云處理軟件(HD 3LS Scene)、隧道限界分析處理軟件。其具體流程如圖1所示。

三、點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

本文的測量方案遵循國標(biāo)城市軌道交通工程測量規(guī)范[2]。在軌道隧道(地下空間)實(shí)際測量中，對于每個(gè)測量工程，需要保證兩個(gè)以上控制點(diǎn)，并采用傳統(tǒng)的測量方式獲取控制點(diǎn)坐標(biāo)。此外，在隧道控制點(diǎn)上方架設(shè)大靶球，整平對中控制點(diǎn)，用于點(diǎn)云擬合獲取大靶球中心點(diǎn)坐標(biāo)，便于進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

圖1 地鐵隧道限界測量技術(shù)路線流程圖

使用FaroX330三維激光掃描儀對軌道隧道(地下空間)進(jìn)行三維掃描，根據(jù)隧道半徑設(shè)置掃描分辨率，并確定掃描間隔距離，以2.6 m半徑隧道為例，需要每隔15 m設(shè)一個(gè)掃描測站，設(shè)置1/4掃描分辨率，7 min一個(gè)測站。此外，在地面掃描儀兩兩測站之間擺設(shè)3個(gè)以上不共線靶球，保證相鄰兩站可以掃描到，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接。

四、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

基于外業(yè)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，本文根據(jù)掃描過程中兩兩測站中的靶球可以精確地對多個(gè)測站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，設(shè)置中間測站為全局參考站，然后使用點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件完成拼接。此外，為了保證點(diǎn)云精度同時(shí)去除多余重復(fù)點(diǎn)云，本文使用海達(dá)三維激光點(diǎn)云處理軟件對點(diǎn)云數(shù)據(jù)按距離過濾完成去噪。如圖2所示。

圖2 拼接去噪后的隧道點(diǎn)云-按照強(qiáng)度渲染

此時(shí)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為相對坐標(biāo)，需要通過2個(gè)以上大靶球中心點(diǎn)坐標(biāo)對，計(jì)算點(diǎn)云坐標(biāo)系到大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)(包括平移量和旋轉(zhuǎn)量)。通過該坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，將點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)。至此，完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理。

五、限界檢測分析

在不同的應(yīng)用中，地鐵隧道限界測量分析要求各異，本文使用的隧道限界分析處理軟件支持多種截面數(shù)據(jù)提取方式：可以進(jìn)行對應(yīng)截面上8：00或10：00方向特征數(shù)據(jù)的提取。如圖3所示，提取了8個(gè)特征點(diǎn)數(shù)據(jù)，即左上點(diǎn)、左中點(diǎn)、左下點(diǎn)、右上點(diǎn)、右中點(diǎn)、右下點(diǎn)、頂板底標(biāo)高和地板頂標(biāo)高。該軟件支持提取指定左右兩邊相對高度位置上下20 mm厚度最不利點(diǎn)，支持提取頂板底標(biāo)高和地板頂標(biāo)高中心線左右25 mm以內(nèi)最內(nèi)界點(diǎn)，極大地提升了檢測的準(zhǔn)確性。

圖3 截面數(shù)據(jù)特征點(diǎn)示意圖

1.隧道中心線生成

依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)資料，隧道中心線是進(jìn)行截面控制的基礎(chǔ)，同時(shí)其數(shù)據(jù)精度直接影響到后期點(diǎn)云分析的結(jié)果。

首先，通過隧道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行隧道中心線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取，即隧道設(shè)計(jì)平曲線和豎曲線數(shù)據(jù)。豎曲線是指縱斷面上相鄰兩條縱坡線相交的轉(zhuǎn)折處，為了行車平順連接兩縱坡線的曲線；平曲線是指連接直線轉(zhuǎn)彎處的曲線。

其次，通過隧道限界處理軟件讀取平曲線和豎曲線相關(guān)參數(shù)，如圖4所示，從而精確生成隧道中心線，如圖5所示。

圖4 隧道限界分析處理軟件界面

圖5 隧道中心線效果示意圖

2.隧道斷面參數(shù)設(shè)定

如圖4所示，本文使用的隧道限界處理軟件是一鍵智能處理軟件。在操作界面上，可根據(jù)不同的項(xiàng)目分析的密度需求，設(shè)置相應(yīng)的斷面控制點(diǎn)。結(jié)合上一步生成的隧道中心線數(shù)據(jù)，可以方便地對截面位置(里程值)進(jìn)行設(shè)置，該軟件支持用戶自定義設(shè)置截面密度(如3 m/個(gè))；同時(shí)支持用戶批量添加、刪除感興趣的斷面里程值。此外，根據(jù)待分析的點(diǎn)云情況，支持用戶自定義設(shè)置點(diǎn)云截面裁切厚度及隧道段屬性，如線路名、里程范圍等。如圖 6所示。

圖6 提取隧道斷面點(diǎn)云效果

3.成果報(bào)表輸出

一鍵分析處理完畢，支持將最后的分析成果輸出成符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的表格。各項(xiàng)輸出參數(shù)包括里程、坐標(biāo)、位置、線路中線至左側(cè)的橫距、線路中線至右側(cè)的橫距，頂板底標(biāo)高和底板頂標(biāo)高等，如圖7所示。

圖7 線路橫斷面測量成果

本文作了相關(guān)示例分析，根據(jù)輸出的成果數(shù)據(jù)，可以直觀地統(tǒng)計(jì)出左側(cè)寬度差、右側(cè)寬度差、總寬度差，以及誤差差值的情況，如圖8所示，橫軸為截面位置(里程值)編號(hào)，縱軸為全站儀實(shí)測長度與三維掃描儀實(shí)測長度作差值，其中寬度的單位為mm。

圖8 成果數(shù)據(jù)示例分析

六、結(jié)束語

本文提出的隧道限界測量技術(shù)解決方案已經(jīng)用于實(shí)際地鐵隧道限界檢測項(xiàng)目，為隧道檢測、監(jiān)測、維護(hù)管理提供高效可靠的檢測和分析手段。總的來說，該解決方案利用地面三維激光掃描儀，結(jié)合自主研發(fā)的海達(dá)三維激光點(diǎn)云處理軟件及隧道限界分析處理軟件進(jìn)行大數(shù)據(jù)點(diǎn)云分析，智能地生成隧道中心軸線及進(jìn)行斷面分析，在提高作業(yè)效率的同時(shí)提取出了更為準(zhǔn)確的斷面成果數(shù)據(jù)及相關(guān)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的表格。此外，結(jié)合各項(xiàng)成果還可以進(jìn)行后續(xù)的隧道模型構(gòu)建，以及隧道變形分析和隧道信息挖掘等相關(guān)應(yīng)用。

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Subway Tunnel Limit Survey Based on 3D Laser Scanner

WANG Min，F(xiàn)ENG Jing，XIE Zhihai

P234.5

B

0494-0911(2014)12-0078-04

王敏，馮晶，謝志海.利用三維激光掃描儀進(jìn)行地鐵隧道限界測量[J].測繪通報(bào)，2014(12)：78-81.

10.13474/j.cnki.11-2246. 2014.0403

2014-11-17

四川商務(wù)職業(yè)學(xué)院課題(14YKC02)

王 敏(1980—)，女，重慶人，碩士，講師，研究方向?yàn)榄h(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)與藝術(shù)設(shè)計(jì)教育。