地鐵工程測量中三維激光掃描技術的應用

摘 要：隨著科技的不斷進步，三維激光掃描技術逐漸應用于地鐵工程測量中，為工程測量帶來了全新的視角和方法。本文圍繞三維激光掃描技術展開討論，從三維激光掃描技術的概述入手，分析其應用優勢，介紹其在地鐵工程測量中的應用范圍及要點，給出了具體的優化建議，旨在為地鐵工程測量提供更科學、高效的技術支持，提升測量結果的準確性，促進地鐵工程建設的高質量發展。

關鍵詞：地鐵工程；測量；三維激光掃描技術文章編號：2095-4085（2024）04-0049-03

地鐵工程建設對于地形地貌的測量精度要求較高。傳統的測量方法存在測量精度低、效率慢等問題，而三維激光掃描技術的出現，為解決這些問題提供了新的途徑。本文將探討三維激光掃描技術在地鐵工程測量中的應用及其優化策略。

1 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術是一種用于獲取目標物體或場景表面精確三維信息的技術，利用激光束照射目標對象，接收并分析返回的激光信號，從而得到目標對象表面的空間坐標點，這些坐標點被組合成點云數據，進而可以生成目標對象的精確三維模型［1］。

2 三維激光掃描技術的應用優勢

2.1 高效快速的數據采集

三維激光掃描技術能夠在短時間內自動收集大量的空間數據，生成目標區域的詳細點云圖。與傳統的測量方法相比，三維激光掃描不僅大大縮短了數據采集的時間，還提高了整個項目的工作效率。

2.2 高精度的測量結果

在地鐵工程中，任何微小的誤差，都可能導致嚴重的結構問題。激光掃描通過發射激光束并計算其反射回來的時間，精確地測量出目標表面的位置，從而生成高度精確的三維模型。這種高精度的測量結果，能夠為地鐵工程提供準確的測量數據，確保地鐵隧道、車站等關鍵結構部分的設計和建造質量，降低誤差風險，保證工程安全。

2.3 非接觸式測量的優勢

三維激光掃描技術無需物理接觸就能完成測量任務，即使在難以接近或不宜接觸的場合也能進行測量，極大提高了測量的靈活性和安全性。對于地鐵工程這樣的大型基礎設施項目來說，很多測量工作需要在狹窄、復雜或危險的環境中進行，非接觸式測量能夠確保測量人員的安全，同時，避免對現場造成任何潛在的干擾或破壞［2］。

3 地鐵工程測量中三維激光掃描技術的應用范圍

3.1 區間隧道測量

區間隧道測量涉及到隧道的精確定位、斷面形狀的測量以及隧道壁的平整度和穩定性評估。三維激光掃描技術通過高密度的激光點云數據，能夠精確地捕捉隧道的全貌，包括隧道內部的細節結構和復雜幾何表面，利于對隧道的實際情況進行深入分析，確保隧道施工的精確性和安全性。

3.2 車站結構測量

車站的結構復雜，包含多個層級和功能區域。通過三維激光掃描技術，可以對車站的整體結構進行快速、全面的測量，生成車站的精確三維模型，有助于設計階段的詳細規劃，還能在施工過程中提供準確的參考，確保各個構件的精確安裝和整體結構的嚴密對接。

3.3 高架結構測量

在地鐵系統中，確保高架段的準確性，利于整個系統的安全運營。三維激光掃描可以高效地測量高架橋梁和道路的結構細節，提供立柱位置、梁體形狀等精確信息。這些數據可用于分析高架結構的穩定性、承載能力以及在施工過程中的隨時間變化情況，確保高架段的設計和施工符合安全標準。

3.4 限界測量

限界測量是確定地鐵系統中列車通過的最小安全距離，包括隧道、車站及其他結構的空間限制。三維激光掃描技術能夠準確地測量這些空間的尺寸和形態，為列車設計、隧道和車站的建造提供科學依據，確保列車在通過時具有足夠的安全間隙，避免與結構構件的擦碰，保障運營安全。

3.5 土方施工測量

在地鐵施工過程中，大量的土方開挖和填充需要精確控制，以滿足設計深度和斜率要求。使用三維激光掃描技術，可以準確測量施工前后的地形變化，計算土方量，指導施工過程中的土方開挖和回填工作，提高了施工效率，還能有效地控制成本，保證工程質量［3］。

4 地鐵工程測量中三維激光掃描技術的應用要點

4.1 測量儀器的選擇

地鐵工程對測量精度要求極高，細微的誤差都可能導致安全隱患或增加成本。在選擇測量儀器時，首先考慮的是其精度是否滿足工程需求。通常，應選擇具有高精度測量能力的儀器，其測量誤差需要在工程允許的范圍之內。其次，不同類型的地鐵工程場景，對測量范圍和速度的需求不同。在狹窄空間，如隧道內部，可能更注重測量儀器的緊湊性和操作靈活性；而在開闊區域，如土方施工現場，需要重視儀器的測量范圍和速度。再次，地鐵工程測量往往面臨復雜多變的環境條件，如地下環境的低光照、高架橋段的高風速等，這些都對測量儀器提出了額外的要求。選用的儀器應具備良好的環境適應性，能夠在各種環境條件下穩定工作，確保測量數據的準確性和可靠性。最后，高精度、高性能的測量儀器往往價格較高，在儀器選擇時，應從整個項目的角度考慮，選擇成本效益比高的儀器，綜合對比儀器的采購成本、運維成本及可能的技術支持費用，在保證測量質量的同時，優化項目預算。

4.2 基礎測量數據的獲取

獲取基礎測量數據時，精確的規劃、設定、采集和處理，可以確保所獲數據的精度和可靠性，為整個工程的成功奠定堅實的基礎。首先，在進行測量前，測量人員需要對整個測量工作進行詳細規劃，包括測量的具體位置、所需設備的布置、測量的范圍和深度等。其次，不同的參數設置，會影響到數據的精度和測量的效率。高分辨率的掃描，能夠捕捉到更細微的地形和結構細節，但相應地會增加數據處理的難度和時間。測量人員應根據測量的具體需求，精確設置掃描儀的參數，包括掃描的角度、速度和分辨率等。再次，在測量過程中，測量人員應充分規劃，布設足夠數量的控制點，并進行明顯的標記，以便在數據處理階段進行校正和驗證，確保測量數據的精確性和可靠性。從次，在實際操作中，根據預定的測量計劃和掃描參數，系統地對目標區域進行掃描，確保每一部分都被覆蓋，避免遺漏或重復掃描。最后，地鐵工程是一個動態變化的過程，隨著工程的推進，及時更新和管理基礎測量數據，確保工程決策基于最新的地理信息，及時發現并解決可能出現的問題。

4.3 數據的深度處理

在地鐵工程測量中，對原始掃描數據的精細處理，需要高水平的專業技能和先進的技術工具，以確保最終得到的數據既準確又實用。首先，原始的三維掃描數據，往往包括許多噪聲和無關信息，如由于環境因素導致的誤差、或是非目標物體的數據等。對數據進行清洗和預處理，可以去除這些噪聲和無關信息，提高數據的質量和可用性。其次，在地鐵工程項目中，往往需要從多個不同的角度和位置，對同一區域進行掃描，以獲得完整的三維數據。數據配準是將這些從不同視角獲得的數據，準確地對齊拼接到一個統一的坐標系統中。拼接過程進一步整合這些數據，形成連貫的三維模型。經過預處理和拼接的數據，可以用于構建地鐵工程的三維模型，直觀地展現地下空間的結構和地形特征，為工程設計和施工提供詳細的參考信息。再次，從三維模型中提取出重要的特征信息，如隧道壁的曲率、坡度、潛在的地質缺陷等，為評估工程風險、優化設計方案以及制定施工計劃提供支持。從次，在整個數據深度處理過程中，進行持續的數據質量控制，如對處理后數據的精度、完整性、一致性進行校驗，確保所有數據都滿足地鐵工程的嚴格要求。最后，利用專業的可視化工具，將處理好的數據展現為直觀的圖像或模型，并便于在團隊成員之間共享，有助于提高決策的效率和準確性。

4.4 數據的分析

數據分析是一個復雜但極其重要的過程，涉及到從宏觀和微觀角度，理解工程區域的多方面特征。在此基礎上，進行科學的決策和規劃，可以大大提高地鐵工程的設計質量、施工效率和長期安全性。首先，對三維掃描數據的分析，可以準確地描繪出工程區域內的地形和地貌特征，包括地形的起伏變化、坡度、以及地面的穩定性等因素。對這些因素的深入了解，利于隧道設計和規劃。其次，三維掃描技術能夠提供關于現有地下結構物的詳細信息，利于評估這些結構物的狀態，識別潛在的風險點，如裂縫、變形或其他損害跡象，確保施工過程中的安全，減少對現有設施的影響。再次，根據地形地貌、地質條件以及現有結構物的分析結果，可以為隧道的具體位置、施工方法選擇、以及施工中的支護措施，提供科學的依據，從而優化施工計劃，減少成本，提升效率。最后，與后期的監測數據相結合，可以更有效地進行隧道健康狀態的監測和評估，及時發現和處理潛在問題，確保地鐵系統的長期穩定運行［4］。

5 地鐵工程測量中三維激光掃描技術的應用優化

在地鐵工程測量中，三維激光掃描技術已成為精確捕獲地下結構和地表特征的重要工具。在實際應用過程中，通過增強數據處理能力、加強數據保護、優化數據融合等，可以大大提高三維激光掃描技術的效果，進而提升地鐵工程項目的效率和準確性，有助于節約時間和成本，提高工程質量，確保地鐵系統的安全、可靠和持久運行。

5.1 增強數據處理能力

隨著三維激光掃描技術在地鐵工程測量領域的不斷深入應用，此技術產生的點云數據量也隨之劇增，這些數據中包含地鐵施工和維護過程中不可或缺的詳細信息，其處理和分析的速度及準確性，直接影響到工程的設計、施工、以及日后的運維管理。因此，應增強數據處理能力。首先，引入高性能的硬件設施，如更強大的計算機處理器、專業的圖形處理單元、以及大容量和高速的存儲設備等，這些硬件設備能夠提供所需的計算力和數據存儲能力，以支持大規模點云數據的快速處理和分析。其次，選擇適合點云數據處理的軟件工具，如高效進行數據清洗、降噪、分割以及特征提取的軟件。對于更符合特殊需求的情況，開發定制化的軟件或算法，進一步優化數據處理流程，提高工作效率。最后，利用云平臺，可以實現數據的遠程訪問、并行處理以及動態資源分配，從而顯著加快數據處理的速度。此外，云平臺還可以提供強大的數據備份和恢復能力，增強數據的安全性和穩定性。

5.2 加強數據保護

在地鐵工程測量中使用三維激光掃描技術，產生的數據常常包含大量的敏感信息，如地鐵線路的精確布局、周邊環境的詳細信息以及潛在的工程隱患等，這些信息若被未經授權的個人或組織獲取，可能會帶來嚴重的安全和隱私風險。為防止信息泄漏，應采取有效措施加強數據保護。首先，建立一個明確的數據分類系統，區分不同敏感級別的數據，根據數據敏感性設立不同的訪問權限，只有經過授權的人員，才能訪問特定級別的信息。其次，無論是數據存儲在本地服務器還是在云端，或是在系統內外部傳輸過程中，都應使用強有力的加密技術，如AES和TLS，防止數據在被盜取或傳輸過程中被竊聽和解析。最后，定期對數據保護措施進行審計，識別潛在的安全漏洞和不足之處，如對數據處理和存儲的基礎設施、軟件、以及管理策略進行審計。

5.3 優化數據融合

三維激光掃描技術通常與其他測繪技術一起使用，優化不同來源數據的融合處理，可以提高總體的測量精度和效率。首先，利用先進的數據融合技術，如機器學習和人工智能算法，可以自動識別和整合來自不同源的數據，包括點云數據、GIS數據和BIM數據等，快速精確地匹配和融合數據，大幅提高數據處理的效率和準確性。其次，采用通用的數據標準和協議，確保不同系統和工具之間的兼容性和互操作性，從而簡化數據整合的過程。再次，數據融合的準確性，在很大程度上取決于原始數據的質量和一致性。在數據收集和處理的每個階段，實施嚴格的質量控制措施，包括數據清洗、驗證和糾錯等，以保證數據的準確性和可靠性。從次，地鐵工程是一個多學科交叉的復雜項目，有效的數據融合需要各領域專家的深入合作和知識共享，促進地理信息科學家、建筑師、工程師等不同背景的專家之間的交流，可以增進對數據及其應用的理解，從而提高數據融合的效率和效果。最后，隨著工程進展和環境變化，維持數據模型的時效性和準確性是一項持續的任務。測量人員應定期更新數據模型，并根據新的數據和信息不斷優化數據融合算法，確保數據模型長期有效支持工程設計和決策工作［5］。

6 結語

綜上所述，三維激光掃描技術采用非接觸式的測量方式，可以高效、快速的采集數據，提供高精度的測量結果。在地鐵工程測量中應用三維激光掃描技術，測量人員應明確其應用范圍，掌握具體的應用要點，并通過增強數據處理能力、數據保護及融合等方式，提升此技術的應用效果，確保地鐵工程測量的準確性，為工程建設提供準確的數據支持。

參考文獻：

［1］楊晨輝.地鐵工程測量中三維激光掃描技術的應用［J］.工程建設與設計，2023（9）：113-115.

［2］許俊偉.三維激光掃描技術在地鐵工程測量中的應用［J］.智能建筑與智慧城市，2022（1）：142-144.

［3］黃鵬.三維激光掃描在地形測量中的應用［J］.價值工程，2022（2）：173-175.

［4］劉亞星.無人機載三維激光掃描技術在露天礦山測量中的應用［J］.中國金屬通報，2023（8）：173-175.

［5］王宇陽.三維激光掃描技術在地鐵隧道竣工測量中的應用［J］.中文科技期刊數據庫（全文版）工程技術，2022（8）：151-153.