基于TLS 技術(shù)的城市地鐵工程測量研究

孫冬冬

（北京住總集團(tuán)有限責(zé)任公司土木工程建設(shè)總承包部，北京 100029）

1 引言

城市地鐵系統(tǒng)作為一種快速、便捷、大容量的公共交通方式，越來越成為現(xiàn)代城市交通規(guī)劃的核心組成部分。 然而，城市地鐵工程的規(guī)模和復(fù)雜性也隨之增加，對其設(shè)計、建設(shè)和維護(hù)提出了更高的要求[1-2]。 傳統(tǒng)的測量方法在應(yīng)對這些挑戰(zhàn)時作用有限，難以滿足對地鐵工程高精度、高效率測量的需求。因此，研究以三維激光掃描（3D Terrestrial Laser Scanning，3D TLS）技術(shù)為基礎(chǔ)，利用激光束的非接觸性掃描，快速、準(zhǔn)確地獲取大范圍的三維點云數(shù)據(jù)， 旨為地鐵工程提供準(zhǔn)確的幾何數(shù)據(jù)，幫助精確設(shè)計、施工和維護(hù)，提高整個地鐵系統(tǒng)的運行效率。

2 城市地鐵工程測量中三維激光掃描技術(shù)分析

2.1 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用與優(yōu)勢分析

三維激光掃描技術(shù)是一種新型的測量技術(shù)， 其利用激光測距和精確角編碼器獲取目標(biāo)物體的三維坐標(biāo)。 三維激光掃描技術(shù)的基本原理是， 通過激光測距和精確角編碼器測量目標(biāo)物體的三維坐標(biāo)。 激光測距儀發(fā)射激光束，打到目標(biāo)物體上后反射回來，通過測量激光束往返時間計算距離。 同時，角編碼器可以精確測量激光束的角度， 從而計算出目標(biāo)物體在三維空間中的坐標(biāo)[3]。 與傳統(tǒng)的測量技術(shù)相比，三維激光掃描技術(shù)具有高效率、高精度、非接觸、數(shù)字化、自動化等優(yōu)點，可以在短時間內(nèi)獲取大量目標(biāo)物體的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)， 并且可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行自動處理和分析，大大提高測量效率和精度。 因此，研究將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于城市地鐵工程測量。

三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用流程包括以下步驟。 首先，選擇測量場景，如地鐵站臺、隧道等。 然后，安裝激光掃描儀器并確保覆蓋整個測量區(qū)域。 在掃描過程中， 激光儀器記錄點云數(shù)據(jù)，隨后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、配準(zhǔn)，消除可能存在的誤差，再利用處理后的點云數(shù)據(jù)生成三維模型，將其轉(zhuǎn)換為可視化的形式。 通過時間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測，實時發(fā)現(xiàn)問題。 比對三維模型與設(shè)計模型，監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)，提高設(shè)備維護(hù)效率。 建立數(shù)字孿生模型，整合其他工程數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬和優(yōu)化，支持規(guī)劃和決策。 進(jìn)行數(shù)據(jù)管理與可視化，建立綜合數(shù)據(jù)庫，生成測量報告，為決策者提供翔實的測量數(shù)據(jù)支持。

三維激光掃描技術(shù)在城市地鐵工程中展現(xiàn)出了多方面的顯著優(yōu)勢。 首先，其高精度測量能力能為地鐵工程提供準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，有力支持工程的精細(xì)設(shè)計和施工。 其次，相較于傳統(tǒng)方法， 激光掃描技術(shù)以高效快速的數(shù)據(jù)采集速度脫穎而出，有效提高了測量效率。 非接觸式測量特性保護(hù)了地鐵結(jié)構(gòu)的完整性，避免了潛在的損傷。 全方位數(shù)據(jù)獲取能夠覆蓋難以到達(dá)的區(qū)域，為工程提供更為全面的信息。 實時監(jiān)測和分析功能使得工程管理者能夠及時響應(yīng)潛在問題， 提高工程的安全性和可靠性。 此外，支持?jǐn)?shù)字孿生模型的建立，為地鐵系統(tǒng)的規(guī)劃和決策提供了有力的工具。 適用于復(fù)雜環(huán)境的特性使激光掃描技術(shù)在各種場景下表現(xiàn)卓越。 最終，其綜合數(shù)據(jù)管理能力通過整合不同數(shù)據(jù)源，建立綜合數(shù)據(jù)庫，為數(shù)據(jù)管理和可視化提供便利。

2.2 三維激光掃描技術(shù)中點云數(shù)據(jù)處理

點云數(shù)據(jù)處理是三維激光掃描技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)， 對于提高數(shù)據(jù)質(zhì)量、準(zhǔn)確性和可用性，以及支持后續(xù)的建模、分析和決策過程至關(guān)重要。 因此， 研究針對點云數(shù)據(jù)的處理做出分析。 點云數(shù)據(jù)處理主要步驟如圖1 所示。

圖1 三維激光掃描技術(shù)中點云數(shù)據(jù)處理步驟

由圖1 可知，點云數(shù)據(jù)的處理包括8 個步驟。 首先是通過激光掃描儀等設(shè)備獲取場景的三維坐標(biāo)點信息， 然后進(jìn)行去噪操作以排除干擾點。 隨后，通過濾波方法進(jìn)一步清理數(shù)據(jù)。配準(zhǔn)步驟用于將不同位置的點云對齊， 以確保它們處于同一坐標(biāo)系。 特征提取和點云分割有助于識別場景中的有意義特征和分割出相似屬性的子集。 通過三維重建，離散的點云數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為具有幾何形狀和結(jié)構(gòu)的三維模型。 最后，利用處理后的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行具體的應(yīng)用分析。

其中，點云獲取與點云配準(zhǔn)為最重要的步驟，點云獲取涉及使用激光掃描儀或其他傳感器來采集環(huán)境中的點云數(shù)據(jù)。點云的獲取質(zhì)量直接關(guān)系到后續(xù)處理的結(jié)果。 如果獲取的點云數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或者缺乏必要的信息， 那么后續(xù)的處理步驟就會受到影響，導(dǎo)致最終的三維模型不準(zhǔn)確。 而在不同的掃描位置或者不同的時間點獲取的點云需要進(jìn)行配準(zhǔn)， 即將它們對齊到同一坐標(biāo)系中。 點云配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到最終生成的三維模型的精度。 如果配準(zhǔn)不準(zhǔn)確，可能導(dǎo)致點云中存在偏差，影響后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析、模型生成以及其他應(yīng)用。

針對點云數(shù)據(jù)獲取， 研究選擇安博格定位法（Amberg Position Method，APM）。 傳統(tǒng)方法通過在掃描儀前后任意擺放3 個以上的標(biāo)靶球，并使用掃描儀測定它們的三維坐標(biāo)來實現(xiàn)配準(zhǔn)。 然而，這種方法存在布設(shè)位置不固定和高程精度相對較低的問題。 相反，APM 定位法采用全站儀與掃描儀結(jié)合使用，通過全站儀獲取標(biāo)靶球與雙棱鏡基座的點位坐標(biāo)， 從而實現(xiàn)點云坐標(biāo)在掃描儀內(nèi)部坐標(biāo)系與地鐵坐標(biāo)系的統(tǒng)一。 這種方法提高了外業(yè)效率，簡化了工作流程，并通過雙棱鏡的定位基座和球形棱鏡的組合定位， 有效減少了每一站點云掃描數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差累積，保證了整體點云的外符合精度。

針對點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，研究采用全站儀測定靶球中心坐標(biāo)，掃描儀擬合靶球中心坐標(biāo)以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法， 通過全站儀獲取球形棱鏡的地鐵坐標(biāo)數(shù)據(jù)， 然后通過掃描儀擬合靶球中心坐標(biāo)，最終實現(xiàn)多站點云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)。 具體步驟包括全站儀測定靶球中心坐標(biāo)， 通過掃描儀獲取球形棱鏡的點云數(shù)據(jù)并擬合球體，然后利用擬合靶球坐標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。 全站儀和掃描儀獲取的數(shù)據(jù)相結(jié)合， 通過六參數(shù)配準(zhǔn)方法計算旋轉(zhuǎn)平移參數(shù)，將所有的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系下，實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的統(tǒng)一配準(zhǔn)與自動拼接。

3 基于TLS技術(shù)的城市地鐵工程測量項目分析

為驗證三維激光掃描技術(shù)在城市地鐵工程測量項目中的實用性，研究針對北京市某地鐵站進(jìn)行測量。 所用設(shè)備包括戴爾計算機(jī)工作站（2 臺，用于點云數(shù)據(jù)的處理與分析），全站儀TS60（1 臺，測角精度0.5″，測距精度1 mm+1×10-6D，D 為全站儀實際測量的距離，km），球棱鏡（1 個，配合APM 定位使用），2 m 水準(zhǔn)標(biāo)尺（2 個，用于測量垂直高度），腳架（3 個，用于設(shè)備支撐），F(xiàn)aro Focus3D 330 三維激光掃描儀 （1 臺， 測距精度±2 mm，測量距離330 m），APM 定位基座（1 個，用于掃描儀的絕對定位）， Leica 常規(guī)棱鏡組 （3 組， 用于反射和定位），Leica 圓棱鏡 （3 個，2 個用于APM 基座， 一個用于全站儀定向），水準(zhǔn)儀DNA03（1 臺，精度0.3 mm/km）。

研究開始前，首先進(jìn)行詳細(xì)的現(xiàn)場踏勘，以全面了解地鐵站點的實際情況。 這涉及對地鐵結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的形態(tài)、大小和關(guān)鍵屬性進(jìn)行分析，從而確定掃描站點、繪制掃描規(guī)劃草圖以及設(shè)計最佳掃描路線的整體方案。 踏勘考慮了工作路徑的明確性，以及避免外界因素對掃描作業(yè)的影響。 同時，根據(jù)實驗要求確定了適當(dāng)?shù)膾呙枵军c和目標(biāo)距離。 隨后，布設(shè)和測量控制點， 其中包括平面控制測量和高程控制測量兩個主要方面。 在平面控制測量中，采用城市控制點作為測量的起始邊，通過支導(dǎo)線的方式將測量連接車站內(nèi)的加密點。 高程控制測量則采用二等水準(zhǔn)測量， 通過閉合水準(zhǔn)路線的方式將測量連接車站內(nèi)的高程加密點。 表格詳細(xì)列出了這些控制點的城市坐標(biāo)和地鐵坐標(biāo)， 為后續(xù)的掃描作業(yè)提供關(guān)鍵的基礎(chǔ)。

在實際掃描操作中，需注意明確工作路徑，防止外界因素的干擾，確保掃描站點的均勻分布。 操作中包括儀器的組裝和參數(shù)設(shè)置，掃描儀和標(biāo)靶球的安置，以及分站式掃描工作的具體操作。 所有這些步驟和注意事項旨在保證掃描作業(yè)的準(zhǔn)確性和高效性，為后續(xù)的數(shù)據(jù)采集和分析奠定堅實基礎(chǔ)。 研究共測量40 個地鐵隧道橫斷面，并將測量結(jié)果與地鐵建造時的設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，首先計算得出其橢圓度T 值，此指標(biāo)量化橢圓形狀的偏離程度， 可以反映隧道橫斷面整體的形狀變化情況。 其次將測量結(jié)果與地鐵建造時的設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行對比得到擬合度。 具體結(jié)果如圖2 所示。

圖2 三維激光掃描技術(shù)在地鐵工程測量項目中的結(jié)果

由圖2 可知，40 個地鐵隧道橫斷面的橢圓度T 值范圍在6×10-4～1.04×10-2，擬合度均在95.00%以上。表明隧道橫斷面整體呈現(xiàn)出較小的橢圓度變化，且測量結(jié)果的擬合度較高，與橫斷面的設(shè)計形狀較為接近。 但要注意28 號與36 號等幾個橫斷面的T 值較大，擬合度較低的位置，數(shù)據(jù)說明這些位置的地鐵隧道橫斷面形變較大，在后續(xù)監(jiān)測測量中應(yīng)該重點關(guān)注，防止出現(xiàn)意外，影響城市地鐵的正常運營。

4 結(jié)論

三維激光掃描技術(shù)在城市地鐵工程中具有顯著的優(yōu)勢，包括高精度、高效率、非接觸、數(shù)字化、自動化等特點。 研究提出以APM 定位法為基礎(chǔ)云數(shù)據(jù)獲取方法，以及點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方法。最后研究針對北京某地鐵站進(jìn)行實地測量工作。通過詳細(xì)的現(xiàn)場踏勘、控制點布設(shè)和測量，以及橢圓度和擬合度的分析，測量結(jié)果表明，40 個地鐵隧道橫斷面的橢圓度T 值范圍在6×10-4～1.04×10-2，擬合度均在95.00%以上，表明整體呈現(xiàn)出較小的橢圓度變化，且測量結(jié)果與設(shè)計形狀接近。 然而，一些特定位置的地鐵隧道橫斷面形變較大，擬合度較低，需要在后續(xù)監(jiān)測中重點關(guān)注。

綜上所述， 三維激光掃描技術(shù)在城市地鐵工程中的應(yīng)用為工程測量提供了一種高效、精確的解決方案。