三維激光掃描技術在地鐵調(diào)線調(diào)坡測量中的應用

王文旭，蔡敏，王文江

(天津市測繪院，天津 300381)

三維激光掃描技術在地鐵調(diào)線調(diào)坡測量中的應用

王文旭?，蔡敏，王文江

(天津市測繪院，天津 300381)

主要對三維激光掃描技術應用于地鐵調(diào)線調(diào)坡的關鍵技術進行了研究，探討了基于此技術的點云數(shù)據(jù)獲取的流程和斷面數(shù)據(jù)提取的方法，以天津地鐵三號線的一段區(qū)間調(diào)線調(diào)坡測量為例，同時使用三維激光掃描技術和傳統(tǒng)技術進行調(diào)線調(diào)坡測量，并對實測數(shù)據(jù)進行了對比；結果表明，三維激光掃描技術應用于地鐵調(diào)線調(diào)坡測量方法具有作業(yè)效率高、可靠性大、實用性強等特點，可以應用于地鐵調(diào)線調(diào)坡測量。

三維激光掃描；調(diào)線調(diào)坡；點云

1 引 言

三維激光掃描技術是一門新興的測繪技術，能快速獲得原始的測繪數(shù)據(jù)，并完整高精度地重建實體[1]。具有非接觸、精度高、速度快等特點，能大幅節(jié)約時間與成本，有效解決數(shù)字化信息采集的難題。這些優(yōu)勢使其在虛擬現(xiàn)實、數(shù)字城市、三維傳真、文物保護、工業(yè)生產(chǎn)等領域有廣泛的應用，是目前國內(nèi)外測繪領域研究關注的熱點之一[2，3]。

調(diào)線調(diào)坡是地鐵設計施工過程中的一項非常重要的工作，是對地鐵施工中特別是隧道盾構后所產(chǎn)生的線路偏移等誤差進行線路平、縱斷面的調(diào)整，以消除誤差達到合理的設計要求，滿足各種設備和車輛運行的限界要求。在對地鐵進行調(diào)線調(diào)坡測量時，采用常規(guī)測量方法獲取地鐵站點和隧道內(nèi)的斷面數(shù)據(jù)效率不高，且測量數(shù)據(jù)不可重復利用。鑒于此，本文討論了采用三維激光掃描技術來進行地鐵調(diào)線調(diào)坡的測量工作，替代常規(guī)測量方法的關鍵技術，并進行了一段隧道的掃描工作，取得了滿意的結果。

2 三維激光掃描技術原理

三維激光掃描儀通過發(fā)射和接收的激光束測量物體，并利用激光束中心點來定位，計算出每個點的三維坐標。大量的點形成三維點云，并帶有強度信息和目標物體的反射率信息。通過三維激光掃描直接將各種大型的、復雜的、不規(guī)則、標準或非標準等實體或?qū)嵕暗娜S數(shù)據(jù)完整地采集到電腦中，經(jīng)過建模，構建出目標的三維實體模型。三維激光掃描點坐標計算原理如圖1所示。

圖1 掃描點坐標計算原理

目標點P的坐標可采用式(1)進行計算:

其中S為目標點P與掃描儀距離，精密時鐘控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值β。

3 三維激光掃描地鐵調(diào)線調(diào)坡測量流程

三維激光掃描的數(shù)據(jù)采集及處理主要可以分為數(shù)據(jù)采集、點云數(shù)據(jù)處理、模型數(shù)據(jù)后處理三個階段[4]。

數(shù)據(jù)采集的流程如圖2所示，控制測量可以利用經(jīng)檢測合格的施工平面高程控制點作為掃描用控制點，在控制點較少的地方應進行加密控制測量。點云數(shù)據(jù)處理要經(jīng)過數(shù)據(jù)預處理和多視點云數(shù)據(jù)配準兩步。數(shù)據(jù)預處理主要是對原始數(shù)據(jù)需要進行格式轉換和減少點云表面噪聲并且縮減數(shù)據(jù)量。多視點云配準是將兩個或兩個以上基于掃描儀坐標系中的三維點云數(shù)據(jù)進行轉換、統(tǒng)一到相同坐標系下的過程(如圖3所示)。在完成點云數(shù)據(jù)的配準后檢查點云，如發(fā)現(xiàn)點云中存在由于掃描死角而產(chǎn)生的漏掃，則需進行外業(yè)補充掃描。三維模型建立及編輯基于點云數(shù)據(jù)之上，目前主要依靠人工交互式建模，自動化程度不高。

圖2 激光掃描點云數(shù)據(jù)采集與處理流程圖

圖3 某地鐵隧道多視點云數(shù)據(jù)配準至同一坐標系

在獲得了目標的全部點云數(shù)據(jù)后，對點云濾波、拼接和配準，完畢后根據(jù)點云建模(如圖4所示)，地鐵調(diào)線調(diào)坡所要求的相關斷面數(shù)據(jù)則可在模型上或者直接利用點云提取。

圖4 根據(jù)點云數(shù)據(jù)進行三維模型建立與編輯

地鐵隧道施工由于施工誤差的原因，造成施工結果與設計不符，如果按照原設計平、縱斷面可能滿足不了建筑限界要求，這就需要做調(diào)線調(diào)坡工作。調(diào)線調(diào)坡測量包括線路中線的放樣及結構底、頂板的高程測量以及橫斷面測量。在此之前，還必須進行地下精密導線、水準測量，以建立控制網(wǎng)，并在此基礎上進行中線放樣、水準測量和橫斷面測量。

橫斷面一般根據(jù)設備和車輛運行的要求選擇一些測點，這些測點應是設備安裝的最不利位置。以天津地鐵圓形隧道為例:選擇底，頂，距底板面1.0 m、2.5 m、4.5 m處為測點。通過這些點可以將隧道輪廓勾繪出。隧道斷面如圖5所示，圖中Hd、Ht為底板和頂板高程，A1、A2、A3為線路中心至隧道左側橫距，B1、B2、B3為線路中心至隧道右側橫距。

圖5 隧道橫截面測量點位

橫斷面測量間距應根據(jù)隧道形狀、線路是直線還是曲線等因素決定。在實際工作中每12 m測量1個橫斷面，也可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況和設計方的要求進行加密或放寬。當測量所提供的斷面數(shù)據(jù)密度不夠時，就需要進行斷面加密測量，如果采用傳統(tǒng)的測量方式，則需要再次進行外業(yè)測繪工作，這樣增加了很多的額外工作量和人員成本，但是采用三維激光掃描測量技術則可以避免這一類的問題。三維激光掃描技術可以一次性獲得目標表面的高密度數(shù)據(jù)，因此在進行斷面加密時可不需要再次額外進行外業(yè)測量工作，所需斷面數(shù)據(jù)可以從點云和模型中提取，可以避免多余的工作量投入。

4 實驗結果與分析

為判斷利用三維激光掃描儀進行地鐵調(diào)線調(diào)坡測量的精度和可靠性，我們選取了天津地鐵三號線的一段隧道進行對比測量實驗，該段試驗段全長約420m，采用全站儀加水準測量與三維激光掃描儀掃描同步進行的測量方式，共測量23個斷面，獲取167組對比數(shù)據(jù)。

點云配準(拼接)誤差 表1

掃描點云數(shù)據(jù)經(jīng)過配準后，其控制靶標和拼接靶標的配準精度如表1所示，參考《城市軌道交通工程測量規(guī)范》GB50308-2008中對精密導線測量的主要技術要求:相鄰點的相對點位中誤差限差為σ=±8 mm，則靶標的拼接和配準誤差均在2σ以內(nèi)。

隧道模型半徑 表2

利用斷面中線樁兩側各一定范圍掃描的點云進行隧道建模后，得到的隧道半徑如表2所示，隧道管片制造的內(nèi)半徑為2.75 m，從表中可看出絕大多數(shù)模型的半徑與設計差值都在毫米級，只有23號斷面因為處于隧道的出洞處，所以模型半徑差達到了1.2 cm。這說明點云的內(nèi)符合精度很高，能夠達到調(diào)線調(diào)坡測量的技術要求。

圖6 兩種測量結果較差分布統(tǒng)計直方圖

對全站儀測量結果與掃描測量結果的差值進行統(tǒng)計分析得出，線路中線到邊墻距離的差值均值為-4.9 mm，隧道底部和頂部的差值均值為2.2 mm，綜合兩項均值為-3.1 mm。根據(jù)《城市軌道交通工程測量規(guī)范》GB50308-2008中對結構斷面測量的主要技術要求:斷面點與線路中線法距測量中誤差限差和地板高程測量中誤差限差為σ=±10 mm，以2σ為差值限差，則樣本可信度為88.6%。綜上所述，經(jīng)過初步的驗證，認為三維激光掃描技術和方法用于地鐵的調(diào)線調(diào)坡測量是可行的。

5 結 論

綜上所述，通過將激光掃描技術在天津地鐵三號線的一段區(qū)間的調(diào)線調(diào)坡測量的對比實驗，說明此項技術應用于地鐵調(diào)線調(diào)坡測量具有作業(yè)效率高、可靠性高、實用性強，可以用于地鐵的調(diào)線調(diào)坡測量。但是在以后的生產(chǎn)中還有一些其他方面的技術有待開發(fā)和提高，如斷面數(shù)據(jù)自動提取的算法和程序的實現(xiàn)，點云自動配準的算法和程序?qū)崿F(xiàn)等。

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The Application of 3D Laser Scanning Technology in Subway Route Ad justment of Alignment and Gradient M easurement

Wang Wenxu，CaiMin，Wang Wenjiang
(Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 300381，China)

The papermainly studied on the key technology of3D laser scanning technology applied in subway adjustment of route alignment and gradient，investigated the acquisition process of point cloud data and extraction method for cross-section data based on this technology，for the sample of route adjustment of alignment and gradientmeasurement in a range of Tianjin subway line 3，used both 3D laser scanning technology and traditional techniques，and compared the measured data；The results showed that themethod using 3D laser scanning technology applied in subway route adjustment of alignmentand gradientmeasurement iswith characteristics of high efficiency，reliability，practicality and it can be used in subway route adjustment of alignment and gradientmeasurement.

3D laser scanning；Adjustment of route alignment and gradient；Point cloud

1672-8262(2013)02-96-04

P234.4

B

2012—07—11

王文旭(1975—)，男，高級工程師，主要從事精密工程測量和測繪技術管理工作。