地面三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道竣工測量中的應(yīng)用

許少輝

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510010)

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地面三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道竣工測量中的應(yīng)用

許少輝*

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510010)

主要介紹了地面三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道竣工測量中的應(yīng)用。詳細(xì)介紹了利用三維激光掃描儀外業(yè)作業(yè)流程、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方法。并在廣州地鐵某在建隧道進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法高效、精度高、數(shù)據(jù)翔實(shí)，能夠很好地應(yīng)用于地鐵隧道竣工測量，并為地鐵后期的施工、運(yùn)營維護(hù)提供詳細(xì)的基礎(chǔ)資料。

三維激光掃描技術(shù)；地鐵隧道；竣工測量

1 引 言

近年來，為了緩解地面道路的交通壓力，各大城市都大力發(fā)展城市軌道交通。地鐵隧道工程屬于百年工程，其各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量要求都非常嚴(yán)格，地鐵隧道竣工測量作為日后地鐵后續(xù)設(shè)備安裝、運(yùn)營維護(hù)的基礎(chǔ)資料，其測量的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)的翔實(shí)程度至關(guān)重要。地鐵隧道主體結(jié)構(gòu)完成施工之后，隧道的空間位置與設(shè)計(jì)值會存在一定的偏差，也就是施工誤差，這需要對隧道設(shè)計(jì)線路的平面以及坡度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整[1]。地鐵隧道的竣工測量是隧道建設(shè)的一個重要內(nèi)容，《城市軌道交通工程測量規(guī)范》[2]規(guī)定竣工測量主要包括線路、沿線設(shè)備、地下管線軌道竣工和區(qū)間車站和附屬建筑結(jié)構(gòu)的竣工測量。傳統(tǒng)的隧道結(jié)構(gòu)斷面竣工測量主要有吊鉛錘法、全站儀極坐標(biāo)法、斷面儀法、攝影測量法[3]，這些方法數(shù)據(jù)采樣率低，實(shí)測斷面數(shù)量有限，只能反映局部的特征，很難高效地進(jìn)行大范圍的檢測，且容易受人為因素影響。而地面三維激光掃描系統(tǒng)作為一種集成了多種高新測繪技術(shù)于一體的新型綜合測量技術(shù)，它的出現(xiàn)可以使結(jié)構(gòu)斷面竣工測量變得更加快捷、高效，利用三維激光掃描系統(tǒng)生成的三維模型，能讓設(shè)計(jì)方和施工方更直觀地了解整個隧道的施工進(jìn)度，為項(xiàng)目各方提供交流展示的平臺，并輔助設(shè)計(jì)方進(jìn)行各方面的計(jì)算分析。

2 三維激光掃描系統(tǒng)作業(yè)過程

2.1 外業(yè)過程

常用的隧道測量儀器為全站儀和激光斷面儀，激光斷面儀可以在測站上同時檢測測站前后多個斷面的數(shù)據(jù)，而且配備有專業(yè)的計(jì)算處理軟件[4]，工作效率高，但是功能單一。而三維激光掃描系統(tǒng)能夠快速地獲取海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，不需要進(jìn)行后視定向或者設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)，可以無需反射棱鏡，非接觸式測量，作業(yè)效率高，測量精度高，不僅可以用作竣工測量中的橢圓度檢測和中心線提取，還可以得到高精度的三維模型，這也是激光斷面儀無法做到的。另外掃描處理后得到的管道、線纜、燈管等模型可以直接導(dǎo)入相應(yīng)軟件中建立建筑信息模型(BIM)。

因?yàn)榈罔F隧道狹長空間較窄，對掃描儀的架設(shè)及測量工作較為不利，所以需要事先進(jìn)行現(xiàn)場的踏勘，確定測站和標(biāo)靶位置，并根據(jù)現(xiàn)場情況確定掃描分辨率，其外業(yè)主要過程如下：

(1)現(xiàn)場踏勘

根據(jù)隧道內(nèi)部的實(shí)際情況，確定出合適的儀器架設(shè)位置，并根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)計(jì)合適的測站數(shù)，以確保選擇的測站能夠覆蓋需要掃描的區(qū)域、保證點(diǎn)云精度，由于隧道的狹長結(jié)構(gòu)，激光掃描儀的掃描密度隨著掃描距離的增加而迅速下降。為保證有足夠的點(diǎn)云數(shù)據(jù)來進(jìn)行后期的中心線和橢圓度的處理，測站掃描分辨率應(yīng)盡可能高些，每個測站點(diǎn)和前一測站的標(biāo)靶子要能夠通視。

(2)標(biāo)靶布設(shè)

隧道管片沒有明顯的特征點(diǎn)用于匹配拼接，而在隧道這種狹長的環(huán)境布設(shè)控制網(wǎng)較為麻煩，所以一般選用球形標(biāo)靶用于測站間的點(diǎn)云配準(zhǔn)。標(biāo)靶的布設(shè)要保證以下幾個原則，不能和測站點(diǎn)分布在同一直線上，同時它必須和測站通視、距離測站不宜太遠(yuǎn)，且保證相鄰測站間有三個及以上的公共標(biāo)靶點(diǎn)。

(3)數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)獲取過程可以通過筆記本電腦實(shí)現(xiàn)或者直接操作儀器實(shí)現(xiàn)，設(shè)置儀器的掃描范圍、角度、分辨率，先選擇較低的分辨率進(jìn)行粗掃描，確定要掃描隧道的大概范圍。再對重點(diǎn)區(qū)域比如輪廓、標(biāo)靶等部位進(jìn)行精掃描。為了能夠得到精確的隧道模型以及標(biāo)靶點(diǎn)的精確坐標(biāo)，為后期截取斷面和中心線提供精確的數(shù)據(jù)，應(yīng)盡可選用足夠高的分辨率。

2.2 內(nèi)業(yè)過程

地面三維激光掃描系統(tǒng)中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理具有重要地位，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)據(jù)導(dǎo)出、點(diǎn)云配準(zhǔn)拼接、去噪、坐標(biāo)系歸化、點(diǎn)云壓縮采樣、三維模型重建、根據(jù)法向量提取結(jié)構(gòu)斷面、橢圓度計(jì)算和中心線計(jì)算。其流程圖如圖1所示：

圖1 三維激光掃描計(jì)算橢圓度流程圖

(1)點(diǎn)云拼接

常用的點(diǎn)云拼接方法有以下三種：基于控制點(diǎn)的拼接、基于公共特征點(diǎn)的拼接和基于標(biāo)靶點(diǎn)的拼接。第一種拼接精度最高，可以滿足監(jiān)測精度的需要，第二種方法是依靠人眼來識別曲率、輪廓線等特征[5]，人為因素對結(jié)果干擾較大。由于隧道呈狹長結(jié)構(gòu)，布設(shè)控制網(wǎng)較復(fù)雜，而且控制網(wǎng)狹長幾何圖形不好，根據(jù)誤差傳播定律，拼接精度有限，所以第一種方法不大適用，而隧道內(nèi)壁較為光滑，沒有棱角、凹凸等特征點(diǎn)，無法使用第二種方法，因此選擇布設(shè)球形標(biāo)靶作為拼接標(biāo)志。

(2)坐標(biāo)系歸化

隧道的施工坐標(biāo)系通常選用的是高斯投影坐標(biāo)系，施工坐標(biāo)系主要是通過將已有的控制網(wǎng)數(shù)據(jù)引進(jìn)隧道來建立，平面控制測量隨著隧道向前開挖掘進(jìn)而逐步布設(shè)導(dǎo)線的方式進(jìn)行，高程控制測量一般選用水準(zhǔn)測量或者三角高程測量[6]。以隧道線路前進(jìn)方向建立X軸，其含義為里程；Y軸垂直于X軸方向，其含義為距離隧道中線的偏距。地面三維激光掃描儀自身坐標(biāo)系是三維直角坐標(biāo)系，是以掃描儀的幾何中心為原點(diǎn)，并根據(jù)掃描儀的旋轉(zhuǎn)軸和對應(yīng)參考方向定義的坐標(biāo)系統(tǒng)。

受激光掃描儀視場角的限制以及物體的遮擋，一個測站往往無法獲得所需要的所有數(shù)據(jù)，所以需要設(shè)置多個測站從不同的方向?qū)λ淼肋M(jìn)行掃描，各測站得到的數(shù)據(jù)都是以各自的測站掃描儀坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，必須將各測站的數(shù)據(jù)拼接集中在同一坐標(biāo)系下，才能得到所需隧道的完整點(diǎn)云，這里我們把不同的測站坐標(biāo)統(tǒng)一到施工坐標(biāo)系下。各坐標(biāo)系分布示意圖如圖2所示。

圖2 坐標(biāo)系統(tǒng)示意圖

根據(jù)空間直接坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換理論，兩個坐標(biāo)系存在著3個平移參數(shù)和3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)，再顧及到兩個坐標(biāo)系之間尺度的不盡一致有一個尺度變化參數(shù)，共有七個參數(shù)。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式即為式(1)：

(1)

式中，△x，△y，△z為3個平移參數(shù)，εx，εy，εz為3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)，m為尺度變化參數(shù)。在實(shí)際中，為了求得這7個轉(zhuǎn)換參數(shù)，在兩個坐標(biāo)系之間需要至少有3個已知坐標(biāo)的重合的公共點(diǎn)，列9個方程[7]。然后解算出點(diǎn)云拼接的參數(shù)，然后根據(jù)這些轉(zhuǎn)換參數(shù)算出每個激光點(diǎn)在施工坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，這樣就可以完成上一步的點(diǎn)云拼接。

(3)數(shù)據(jù)預(yù)處理

對隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模前，首先是排除測量錯誤的點(diǎn)，也就是明顯遠(yuǎn)離被掃描對象的孤立的點(diǎn)，這樣的點(diǎn)，一般可以手工或者使用軟件的簡單功能選擇后并刪除掉。其次是點(diǎn)云去噪和平滑，由于實(shí)驗(yàn)人員以及隧道管片內(nèi)已經(jīng)安裝有線纜、燈管等對隧道管片的遮擋，在獲取隧道管片的點(diǎn)云數(shù)據(jù)時，不可避免地需要處理這些噪聲點(diǎn)云。最后，因?yàn)槿S點(diǎn)云數(shù)據(jù)量很大，若直接進(jìn)行建模處理，會耗費(fèi)大量的時間，數(shù)據(jù)處理的效率太低，所以要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行減采樣，再進(jìn)行后期的建模等處理。

(4)點(diǎn)云三維建模

三維激光掃描系統(tǒng)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是離散的，無法精確形象地展示隧道的幾何信息，因此需要把離散的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成表面模型來模擬隧道的表面，為后期建立BIM提供基礎(chǔ)模型。主要過程有構(gòu)建三角網(wǎng)模型，多邊形修補(bǔ)、去除多余特征、減少多邊形數(shù)量、平滑以及輪廓線提取和曲面擬合。在多邊形階段對模型進(jìn)行修補(bǔ)、調(diào)整等，對一些無法掃描到的小的孔洞用線性插值或者二次曲面插值的方法進(jìn)行填補(bǔ)。輪廓線用手工或者軟件自動提取，最后構(gòu)造曲面片和擬合曲面。

(5)RiSCAN PRO中切割模型

按照《城市軌道交通工程測量規(guī)范》的要求，地鐵隧道直線段每隔 6 m測量一個斷面，曲線段每隔 5 m測量一個斷面，由于三維激光掃描儀獲取海量數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，可以以很小的間隔來獲取斷面，在Geomagic Studio中建模后，導(dǎo)入到RiSCAN PRO軟件中，利用該軟件創(chuàng)建新斷面目標(biāo)的功能截取模型，便可得到一組斷面，但是這種情況并不能保證斷面與中心線完全垂直，所以這里擬合所得的斷面，并得到一組中心點(diǎn)。

(6)提取斷面

斷面測量是竣工測量的一個重要部分，是后期隧道變形監(jiān)測的主要部分。斷面提取過程如下，先將上面第(5)點(diǎn)中斷面的中心點(diǎn)連接起來即可得到隧道中心線，然后根據(jù)中心線上各中心點(diǎn)的法向量[8]，先將法向調(diào)整為某一坐標(biāo)軸的平行方向，然后用RiSCAN PRO截取功能截取模型即可得到與隧道正交的結(jié)構(gòu)斷面。

(7)計(jì)算橢圓度

我們可以在得到的斷面上進(jìn)行長短半軸的測量并求取橢圓度，計(jì)算公式參照式(2)：

T=2*(a-b)/D

(2)

上式中T為橢圓度，a是隧道長半軸，b為隧道短半軸，D為隧道的外徑。

(8)中心線提取

在地鐵隧道竣工測量以及變形監(jiān)測時，通常是把隧道的斷面作為比較依據(jù)，截取斷面的時候需要知道截取位置處隧道的空間姿態(tài)，這就需要擬合出一條空間曲線表示隧道的空間姿態(tài)和走勢，即稱為隧道的中心線，而且中心線可以為后期隧道里程計(jì)算等提供依據(jù)[9]。

3 現(xiàn)場測試

本文選擇廣州地鐵某在建地鐵隧道進(jìn)行現(xiàn)場測試，選用奧地利瑞格公司RIEGL VZ400三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該儀器的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

RIEGL VZ400主要技術(shù)指標(biāo) 表1

根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況，本次實(shí)驗(yàn)共選擇了5個掃描站點(diǎn)，每一測站先進(jìn)行概略粗掃描，再進(jìn)行精掃描，精掃描的分辨率設(shè)置為30 m處0.03°，并保證相鄰測站間的標(biāo)靶通視，且不在一條直線上。本實(shí)驗(yàn)所用球形標(biāo)靶如圖3所示：

圖3 標(biāo)靶布設(shè)示意圖

連接好電源線以及筆記本與儀器的通訊網(wǎng)線，打開筆記本電腦中儀器配套使用的RiSCAN PRO軟件，建立工程項(xiàng)目，在項(xiàng)目屬性中對掃描儀進(jìn)行相關(guān)的連接方式以及掃描儀IP的設(shè)置，先粗掃再精掃，因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)設(shè)置的掃描分辨率較高，所以每個測站掃描時間大約有 10 min。完成5個測站的數(shù)據(jù)掃描后，便在RiSCAN PRO下進(jìn)行點(diǎn)云的拼接及坐標(biāo)系統(tǒng)一，本文選用基于標(biāo)靶點(diǎn)進(jìn)行不同測站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接的方法，先在RiSCAN PRO中找到并導(dǎo)出球形標(biāo)靶對應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到Geomagic Studio中擬合出球形標(biāo)靶的球心，如圖4所示。然后將結(jié)果導(dǎo)入到RiSCAN PRO中進(jìn)行拼接，形成整體的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使5個測站數(shù)據(jù)都在同一坐標(biāo)系下。拼接是用ICP(Iterative Close Point)算法實(shí)現(xiàn)，拼接的殘差為 1.6 mm，可以滿足實(shí)驗(yàn)要求。

圖4 球形標(biāo)靶擬合球心示意圖

從圖5可以看出在掃描過程中有很多不需要的噪聲點(diǎn)云被采集，比如測站附近的實(shí)驗(yàn)人員、隧道內(nèi)施工用的管道、線纜等等。本實(shí)驗(yàn)拼接了前兩個測站的數(shù)據(jù)，在RiSCAN PRO軟件中導(dǎo)出掃描數(shù)據(jù)，在Geomagic Studio中導(dǎo)入數(shù)據(jù)，利用軟件自帶的功能去掉體外孤點(diǎn)去掉噪聲點(diǎn)后并進(jìn)行三維建模，得到模型如圖6所示。

圖5 原始點(diǎn)云示意圖

圖6 三維激光點(diǎn)云建模效果圖

按照每隔5 m測量一個斷面，將先前在Geomagic Studio中創(chuàng)建地鐵隧道的三維模型導(dǎo)出，并導(dǎo)入到RiSCAN PRO軟件中，用16個間距為 5 m的平行等距離的平面去截取模型，得到16個斷面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，擬合出每一個斷面的中心點(diǎn)。中心點(diǎn)連接起來即可得到隧道中心線，然后根據(jù)中心線上各中心點(diǎn)的法向量[10]，先將法向調(diào)整為某一坐標(biāo)軸的平行方向，然后用RiSCAN PRO的截取功能截取模型即可得到與隧道正交的結(jié)構(gòu)斷面。如圖7所示：

圖7 隧道點(diǎn)云提取斷面示意圖

對上文得到的結(jié)構(gòu)斷面進(jìn)行分析，參照式(2)計(jì)算橢圓度得到結(jié)果如表2所示。

各斷面橢圓度計(jì)算結(jié)果 表2

可以看到計(jì)算得到的16個斷面中橢圓度最大為 0.003 5，最小近似為0，《盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范》[11]給出了地鐵隧道的橢圓度限值：±5‰D。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)區(qū)段隧道斷面橢圓度在地鐵隧道的橢圓度限值之內(nèi)。

最后擬合出橢圓的中心，得到一組中心點(diǎn)，設(shè)計(jì)為直線段，分析得中心線與設(shè)計(jì)較為吻合。表3為這組中心點(diǎn)的坐標(biāo)。

中心線點(diǎn)坐標(biāo)(部分) 表3

4 結(jié) 論

本文闡述了地面三維激光掃描系統(tǒng)在地鐵隧道測量中的外業(yè)測量過程和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程，并用RIEGL VZ400三維激光掃描儀實(shí)驗(yàn)為例，詳細(xì)地講述了利用RiSCAN PRO軟件和Geomagic Studio軟件進(jìn)行地鐵隧道建模和測量的過程。試驗(yàn)證明了該方法高效、簡單，可以為建立BIM提供基礎(chǔ)模型，在工程項(xiàng)目中具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

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The Application of Terrestrial Laser Scanning Technology in the Subway Tunnel Completed Measurement

Xu Shaohui

(Guangzhou Metro Design and Research Institute Co.，Ltd，Guangzhou 510010，China)

This paper describes the application of terrestrial laser scanning technology in the subway tunnel completed Measurement .It describes the workflow of the use of three-dimensional laser scanner in the outside、the point cloud data processing method. And Conducted field tests in Guangzhou subway tunnel under construction，the experimental results show that this method is efficient、high-precision and detailed，it can be well used in subway tunnels completed measurements，and provides detailed basic information for the subway late construction、operation and maintenance.

three-dimensional laser scanner technology；subway tunnel；completed measurement

1672-8262(2016)05-68-05

P234.4

B

2016—04—19

許少輝(1962—)，男，高級工程師，研究方向?yàn)槌鞘熊壍澜煌üこ坦芾怼⒃O(shè)計(jì)及勘測。

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2015年科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目計(jì)劃-研究開發(fā)項(xiàng)目(2015-K2-005)