三維激光掃描技術(shù)在城市軌道交通隧道斷面測量中的研究

楊建勇

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

在城市軌道交通工程中，為了順利開展線路中線調(diào)整及軌道鋪設(shè)工作，工作人員應(yīng)當(dāng)在土建結(jié)構(gòu)施工結(jié)束以后，根據(jù)實(shí)際情況對車站、隧道區(qū)間、高架橋的底板縱斷面和結(jié)構(gòu)斷面等進(jìn)行斷面測量。完成線路中線調(diào)整工作以后，還要以調(diào)整后的中線成果為基礎(chǔ)重新計(jì)算，以保證軌道建成后車輛營運(yùn)界限符合要求[1]。在結(jié)構(gòu)斷面測量過程中，要以施工控制點(diǎn)和至少兩站一區(qū)間貫通測量后的精密導(dǎo)線點(diǎn)為主要依據(jù)，依照《城市軌道交通工程測量規(guī)范》要求完成測量工作，對于結(jié)構(gòu)異常、施工偏差大的斷面處，工作人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行復(fù)測。傳統(tǒng)的城市軌道交通斷面測量方法以斷面儀法、全站儀極坐標(biāo)法、攝影測量法為主，這些測量方法在實(shí)際應(yīng)用中能夠測量的斷面數(shù)量十分有限，因此許多測量結(jié)果不能反映隧道結(jié)構(gòu)的全貌[2]。本文以城市軌道交通隧道工程為例，運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)，對三維激光掃描技術(shù)在軌道交通工程結(jié)構(gòu)斷面測量的技術(shù)使用方法以及可行性進(jìn)行深入探究。

1 準(zhǔn)備工作

1.1 儀器設(shè)備

隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)在測繪技術(shù)行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛。RIEGL VZ-1000地面三維激光掃描儀，可以在1 s之內(nèi)發(fā)射纖細(xì)激光束30萬點(diǎn)，采集點(diǎn)位密度相對較大，數(shù)據(jù)信息豐富，可以把現(xiàn)實(shí)環(huán)境真實(shí)反映出來；角分辨率可以高達(dá)0.000 5°，測量準(zhǔn)確度較高，在對表面復(fù)雜的物體進(jìn)行測量時，也可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化測量；測量速度較快，可以縮短測量時長，節(jié)省投入資金成本；三維激光掃描技術(shù)抗干擾性能較好，即使是夜間也不會對測量結(jié)果造成影響。把三維激光掃描技術(shù)與云臺設(shè)備有效結(jié)合在一起，不僅可以實(shí)現(xiàn)360°全圓掃描隧道，還可以使得所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)變得更加具有全面性，如圖1所示。

圖1 三維激光掃描技術(shù)圖

1.2 控制網(wǎng)的測試

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集前，還應(yīng)做好控制網(wǎng)的測試，即平面控制網(wǎng)的測試和高程控制網(wǎng)的測試。在控制網(wǎng)測試過程中，應(yīng)根據(jù)城市軌道交通工程的情況，合理地設(shè)置測量單元，一般情況下，以兩站一區(qū)間為一個測量單元。對平面控制點(diǎn)和高程控制點(diǎn)進(jìn)行合理布設(shè)，將其設(shè)置在隧道區(qū)間兩端車站地板上，通過聯(lián)系測量，獲得平面控制點(diǎn)對應(yīng)的平面坐標(biāo)以及高程控制點(diǎn)對應(yīng)的高程值并作為起算點(diǎn)[3]。

在隧道內(nèi)進(jìn)行控制點(diǎn)的布設(shè)，兩個控制點(diǎn)之間相隔100 m，既可以作為平面控制點(diǎn)來使用，也可以作為高程控制點(diǎn)使用。在平面控制網(wǎng)測試過程中，可以選擇導(dǎo)線測量與LeicaTS50測量機(jī)器人結(jié)合使用，對平面控制網(wǎng)進(jìn)行測量和觀測。在高程控制測試過程中，主要進(jìn)行二等水準(zhǔn)觀測，可以選擇TrimbleDi-Ni03電子水準(zhǔn)儀來開展。完成平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)的測量后，可以采用COSA平差軟件，對其進(jìn)行統(tǒng)一的平差處理，進(jìn)而可以獲取準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)值[4]。

2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集及方案設(shè)計(jì)

2.1 方案設(shè)計(jì)

結(jié)合城市軌道交通工程隧道的特征，在利用三維激光掃描設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，工作人員要把已知的精密導(dǎo)線點(diǎn)作為起算點(diǎn)，使用測站+后視的設(shè)站模式完成此項(xiàng)工作。工作人員應(yīng)當(dāng)在精密導(dǎo)線點(diǎn)上設(shè)站，測站點(diǎn)應(yīng)保證是在隧道的中心位置，而且不受遮擋，保證每一測站都能夠獲得最大的掃描范圍，對于獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，應(yīng)保證分布均勻。然后對中整平后輸入后視高、儀高、后視點(diǎn)以及設(shè)站點(diǎn)等信息，再設(shè)置掃描參數(shù)，對于掃描參數(shù)的設(shè)置，可以采用全景掃描的方式，這樣可以獲得更加全面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。對于掃描分辨率的設(shè)置，要兼顧測量精度和效率[5]。在另一處精密導(dǎo)線點(diǎn)上架設(shè)標(biāo)靶，對于標(biāo)靶的布設(shè)，應(yīng)掌握好與測站之間的距離，通常情況下，直線段控制在40 m～50 m范圍較為適宜，曲線段控制在30 m～ 40 m范圍較為適宜，可以在具體測量中隨時調(diào)整。完成上述工作，方可開始隧道掃描工作。工作人員需要結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，仔細(xì)掃描后視精密導(dǎo)線點(diǎn)上的標(biāo)靶，使得三維激光掃描系統(tǒng)可以把中心點(diǎn)坐標(biāo)自動擬定出來，進(jìn)而為順利開展點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接以及為定位工作提供數(shù)據(jù)支持[6]。此外，工作人員要在電腦筆記本上仔細(xì)檢查本站掃描數(shù)據(jù)的完整性，盡量確保本站所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與其他站所獲得的數(shù)據(jù)重疊度達(dá)到30%，并且要結(jié)合所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)狀況，科學(xué)合理地計(jì)劃下一個設(shè)站位置。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

隧道工程內(nèi)部空間狹窄，且濕度大、空氣流動差，造成施工難度較大。因此在正式外業(yè)數(shù)據(jù)采集之前，做好方案設(shè)計(jì)工作，并且嚴(yán)格按照方案設(shè)計(jì)進(jìn)行落實(shí)。在隧道內(nèi)的側(cè)壁上，設(shè)置精密導(dǎo)線點(diǎn)，對其采用相應(yīng)的保護(hù)措施，使其保存完整，之后使用強(qiáng)制歸心裝置。為了能夠把隧道內(nèi)部具體狀況真實(shí)地反映出來，在采集外業(yè)數(shù)據(jù)過程中RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀所設(shè)置的掃描距離為200 m，點(diǎn)云采樣間隔為100 m處0.03 m，掃描范圍為360°全圓掃描。這樣不僅能夠把隧道具體情況直接反映出來，還可以使得外業(yè)工作效率得到一定程度的提升。在具體作業(yè)時，一旦碰到半封閉空間控制點(diǎn)布設(shè)困難的情況，采用RIEGL自帶的點(diǎn)云處理軟件，并且發(fā)揮其RISCANPRO自動拼接功能，結(jié)合三維激光掃描儀，實(shí)現(xiàn)自由設(shè)站，對于測站之間的重疊區(qū)域，保證在30%以上即可，然后開展內(nèi)業(yè)工作，對數(shù)據(jù)實(shí)施拼接處理。通過這種方式，可以提高測量效率，縮短測量時間[7]。

3 數(shù)據(jù)處理

在業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)處理過程中，工作人員可以根據(jù)實(shí)際情況，科學(xué)合理地利用RIEGL自帶點(diǎn)云處理軟件RISCANPRO，按照斷面提取、點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀、影像匹配、拼接以及去噪的步驟完成此項(xiàng)工作。

3.1 數(shù)據(jù)拼接以及去噪

通過RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀的應(yīng)用，將采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)合理地引入到RISCANPRO內(nèi)部，從中就會看到一些噪點(diǎn)。噪點(diǎn)主要是在外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程受相關(guān)因素影響所產(chǎn)生的，包括掃描過程中出現(xiàn)遮擋，掃描時受到光束反射等影響所造成的，工作人員可以充分發(fā)揮程序自帶的剔除功能，將這些噪點(diǎn)相應(yīng)地剔除。基于城市軌道交通隧道內(nèi)部的實(shí)際情況，一般情況下，內(nèi)部控制點(diǎn)的邊長較短（平均在150 m左右），因此對于相鄰測站之間，所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)基本重合，這樣就會造成有大量重疊無效的數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)整理時，工作人員需要注意對這部分?jǐn)?shù)據(jù)的處理，剔除無效點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后將相鄰測站有效點(diǎn)云數(shù)據(jù)保存下來并使用[8]。

3.2 數(shù)據(jù)拼接

由于在外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中，使用的測站+后視，輔助自由設(shè)站模式，雖然起到了良好的測量效果，但是對于所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，只是點(diǎn)號等相關(guān)信息，對于控制點(diǎn)坐標(biāo)，在現(xiàn)場施工中未輸入到系統(tǒng)中，這樣測站+后視模式所采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)是獨(dú)立的，自由設(shè)站所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)也是獨(dú)立的，都存在于各自的坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)部。因此，為了將二者所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)整合到同一坐標(biāo)系統(tǒng)下，工作人員要采用適宜的方式拼接點(diǎn)云數(shù)據(jù)。對于測站+后視模式所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具體要按照RISCANPRO坐標(biāo)文件格式編譯點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后讀入點(diǎn)云處理軟件以及去噪點(diǎn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)在選取對應(yīng)控制點(diǎn)后自動進(jìn)入測量坐標(biāo)系統(tǒng)，最后進(jìn)入同一個文件，獲取整體數(shù)據(jù)[9]。對于自由設(shè)站所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，要運(yùn)用到測站+后視模式所采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過拼接處理后的數(shù)據(jù)，通過掃描使得二者重合，然后自動拼接，最后獲取整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.3 影像匹配

觀察點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)其沒有任何的顏色，導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺少直觀性，因此，工作人員要采用適宜的方式，針對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行影像匹配作業(yè)。在掃描過程中，工作人員獲取影像數(shù)據(jù)時，可以采RISCANPRO的Image Registration模塊進(jìn)行，這樣對于獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，會獲得相關(guān)的色彩信息。

3.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀

對于每個測站之間，重疊區(qū)域較大，且掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)間隔較小，這就導(dǎo)致所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量較大，因此工作人員采用適宜的方式對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀作業(yè)非常有必要。這樣可以使得隧道結(jié)構(gòu)斷面提取的數(shù)據(jù)更加具有時效性以及科學(xué)性。在對處理以后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀過程中，要以0.05 m間隔完成此項(xiàng)工作。除此以外，在提取結(jié)構(gòu)斷面原始信息數(shù)據(jù)時，可以直接使用抽稀以后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[10]。

3.5 結(jié)構(gòu)斷面提取

在結(jié)構(gòu)縱斷面信息數(shù)據(jù)提取過程中，要滿足一定的要求，即對于點(diǎn)位與設(shè)計(jì)里程，必須要相對應(yīng)，在數(shù)據(jù)采集過程中，完成軌道鋪設(shè)工作以后，工作人員利用RISCANPRO軟件，發(fā)揮其特征線提取功能，科學(xué)合理地提取軌道軌頂中心線。對于獲取的軌道規(guī)定中心線以后，還要與軌道中心線擬合，最后要與設(shè)計(jì)線位套合，通過上述方式后，可以獲得中線里程。與此同時沿著軌道中心線，進(jìn)行縱段面的剖切，可以在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中獲得高程。沿縱斷面里程，結(jié)構(gòu)橫斷面在直線段上，要保證每6 m有一個橫斷面，其剖切方向與中線垂直；結(jié)構(gòu)橫斷面在曲線線段上，要保證每5 m要有一個橫斷面，其剖切方向要與切線方向垂直，與此同時對于結(jié)構(gòu)斷面變化處，根據(jù)要求也要設(shè)置斷面。剖切以后，可以獲得三維坐標(biāo)值。在匹配縱斷面里程及對應(yīng)中心點(diǎn)坐標(biāo)時，可以將剖切的橫斷面作為主要依據(jù)，在此過程中，對于結(jié)構(gòu)斷面，可以在中線里程中隨意增加。在繪制結(jié)構(gòu)橫斷面時，對于采用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以直接使用剖切導(dǎo)出來的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在繪制結(jié)構(gòu)縱斷面時，主要是針對擬合的軌道中心線，直接提取即可。完成上述工作以后，工作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，同時整理成果，需要按照規(guī)定的提交格式[11-12]。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文深入研究了三維激光掃描技術(shù)在城市軌道交通隧道工程結(jié)構(gòu)斷面測量過程中的使用情況，分析了三維激光掃描技術(shù)在軌道結(jié)構(gòu)斷面測量過程中的數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)獲取方法。在實(shí)施隧道結(jié)構(gòu)斷面測量作業(yè)時，科學(xué)合理地利用三維激光掃描技術(shù)，不僅可以為后期隧道數(shù)字化建設(shè)任務(wù)提供重要依據(jù)，還能使隧道施工經(jīng)濟(jì)效益得到一定程度的提升。