三維激光掃描技術(shù)在隧道工程竣工測量中的應(yīng)用研究

孔祥玲，歐斌

(重慶市勘測院，重慶 400020)

三維激光掃描技術(shù)在隧道工程竣工測量中的應(yīng)用研究

孔祥玲?，歐斌

(重慶市勘測院，重慶 400020)

應(yīng)用研究與生產(chǎn)相結(jié)合的方法，介紹了地面三維激光掃描技術(shù)在城市軌道交通隧道工程竣工測量中的數(shù)據(jù)采集流程，并對采集數(shù)據(jù)進行拼接裁剪、圖形定位、影像匹配、抽稀和線狀地物提取等操作，討論了三維激光掃描技術(shù)在隧道竣工測量領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的可行性、技術(shù)優(yōu)勢、測量方法和數(shù)據(jù)處理方法。

三維激光掃描；軌道交通；隧道竣工測量；點云數(shù)據(jù)

1 引 言

三維激光掃描技術(shù)是近年發(fā)展起來的一門新技術(shù)，以高精確、快速、海量、無接觸測量等優(yōu)勢在眾多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。三維激光掃描測量依靠其硬件性能與獲取數(shù)據(jù)方式的特點，大大彌補了傳統(tǒng)測量方法的不足。在硬件方面，激光掃描儀采用半導(dǎo)體激光器，激光方向性好，光功率高，使得測量儀器分辨率高，穩(wěn)定性好，測量精度高。在數(shù)據(jù)獲取方面，激光掃描測量的數(shù)據(jù)獲取方式靈活，不需要接觸物體，避免了接觸測量可能對被測物體表面帶來的損害，提高了檢測速度。與其他非接觸式測量方法相比，該技術(shù)具有較大的偏置距離和測量范圍，對某一區(qū)域掃描時，采集點位密度大，數(shù)據(jù)信息豐富，可以更真實地反映現(xiàn)實環(huán)境；測量準(zhǔn)確度高，特別適合測量表面復(fù)雜的物體及其細節(jié)的測量，實現(xiàn)目標(biāo)的精細化測量；測量速度快，節(jié)約大量的時間，使工作效率提高，勞動強度降低，投入費用也有減少；抗干擾性好，在昏暗的條件下或者夜間都不影響測量。

建設(shè)城市軌道交通，是城市現(xiàn)代化交通發(fā)展的必然選擇，也是有效解決“大城市交通病”的首要選擇?？v觀國內(nèi)外大城市交通發(fā)展經(jīng)驗，城市軌道交通已經(jīng)成為提升城市功能和形象、拉動城市經(jīng)濟、拓展城市框架、繁榮城市商貿(mào)、改善居民生活、提升土地和基礎(chǔ)設(shè)施等城市資源價值的強力杠桿。軌道交通線路，部分位于地下隧道中，根據(jù)政府管理的需要，必須進行規(guī)劃竣工測量。本文根據(jù)城市軌道交通規(guī)劃竣工測量的要求，結(jié)合重慶地鐵一號線工程，采用RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀，引入了激光三維掃描技術(shù)在隧道竣工測量中的應(yīng)用研究。

2 項目概述

重慶地鐵一號線是重慶軌道交通規(guī)劃線路的重要干線，先期建設(shè)的一期工程，東起渝中區(qū)小什字、西至沙坪壩，途經(jīng)渝中區(qū)、九龍坡區(qū)、高新區(qū)和沙坪壩區(qū)，全長16.5 km，沿線設(shè)14座車站，其中有4座換乘站，是貫穿主城核心區(qū)東西方向的軌道交通主干線路，其線路和車站全部位于地下隧道中，如圖1所示。地鐵一號線一期工程是目前全國運行速度最快、爬坡能力最強、隧道埋深最深的地鐵之一。同時，也是國內(nèi)第一條建成通車的山地城市地鐵線路。

圖1 重慶地鐵一號線一期工程線路及車站分布圖

地鐵一號線一期工程竣工地形測繪的比例尺為1∶500，基本等高距為0.5 m，高程注記至厘米?？⒐y繪的內(nèi)容主要包括:線路軌道竣工測量，區(qū)間隧道、車站和附屬建筑結(jié)構(gòu)竣工測量。

3 RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀

RIEGL VZ-1000三維激光掃描成像系統(tǒng)擁有RIEGL獨一無二的全波形回波技術(shù)(waveform digitization)和實時全波形數(shù)字化處理和分析技術(shù)(on-line waveform analysis)，每秒可發(fā)射高達300，000點的纖細激光束，提供高達0.0005°(1.8″)的角分辨率。這種高精度高速激光測距及可同時探測到多重乃至無窮多重目標(biāo)的細節(jié)信息技術(shù)優(yōu)勢，是傳統(tǒng)單次回波反映單一物體技術(shù)所無法比擬的。除此以外，基于RIGEL獨特的多棱鏡快速旋轉(zhuǎn)掃描技術(shù)，它能夠產(chǎn)生完全線性、均勻分布、單一方向的掃描激光點云線。通過與“云臺”配合測量，可以對隧道進行360°全圓掃描，獲取全方位點云數(shù)據(jù)。

4 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

竣工測量區(qū)域涉及軌行區(qū)和車站，由于白天試車無法施測，測量工作只能在夜間進行，隧道內(nèi)通視條件較差，濕度大，空氣流動性差，且存在施工干擾，測量難度很大。根據(jù)工程的特點，在隧道內(nèi)采用RIEGL VZ-1000激光掃描儀配合“云臺”測量技術(shù)，進行全方位數(shù)據(jù)采集。掃描步驟主要包括如下4步:

(1)在控制點上架設(shè)激光掃描儀，對其進行嚴(yán)格的對中整平。

(2)根據(jù)隧道復(fù)雜程度和工程要求對相應(yīng)的主要參數(shù)進行設(shè)置，包括掃描距離、掃描范圍、掃描點云間隔等。

(3)在掃描過程中實時監(jiān)控掃描數(shù)據(jù)情況，保證獲得較好的掃描數(shù)據(jù)，在掃描結(jié)束后對獲取的數(shù)據(jù)進行檢查，保證數(shù)據(jù)的完整性。

(4)在掃描結(jié)束后，對掃描范圍內(nèi)進行拍照，獲取影像數(shù)據(jù)。

由于RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀具有無需后視定向，只需要保證兩站掃描數(shù)據(jù)具有30%的重疊區(qū)域，就可以在內(nèi)業(yè)處理時進行自動拼接。因此在外業(yè)測量時，除在已知點上設(shè)站外，也可以在任意位置設(shè)置，較大的縮短了外業(yè)測量的時間。

為了真實反映隧道內(nèi)情況，在掃描時設(shè)置采樣間隔為100 m處0.03 m的間隔進行掃描，采用這種采樣間隔設(shè)置主要是在保證測量數(shù)據(jù)滿足工程要求精度的情況下，盡可能反映真實地形情況和保證工作效率。

5 數(shù)據(jù)處理

5.1 數(shù)據(jù)拼接和裁剪

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時，將RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀掃描的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到RIEGL自帶的點云處理軟件RISCAN PRO對掃描數(shù)據(jù)進行處理。由于在外業(yè)數(shù)據(jù)采集時，未進行坐標(biāo)定位和后視定向，每站采集的點云數(shù)據(jù)在各自的坐標(biāo)系統(tǒng)里，各站之間是相互獨立的，因此需要對點云數(shù)據(jù)進行拼接，使點云數(shù)據(jù)合并到同一坐標(biāo)系下。

采用RISCAN PRO點云處理軟件的Registration模塊對點云數(shù)據(jù)進行拼接。首先對在已知點上設(shè)站掃描數(shù)據(jù)中輸入設(shè)站點和后視點坐標(biāo)，并以此掃描數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作用是使自由設(shè)站的點云數(shù)據(jù)以基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)為依據(jù)進行拼接。其次是對自由設(shè)站掃描數(shù)據(jù)進行平移和旋轉(zhuǎn)，軟件根據(jù)每站數(shù)據(jù)之間30%的重疊區(qū)域數(shù)據(jù)特征進行自動拼接，最終得到整體的點云數(shù)據(jù)，拼接之后得到的點云數(shù)據(jù)如圖2所示。經(jīng)檢查，該工程的拼接精度為5 mm。

圖2 拼接后整體點云數(shù)據(jù)(部分)

5.2 影像匹配

點云數(shù)據(jù)本身沒有顏色，并不直觀，因此需要對點云數(shù)據(jù)進行影像匹配。通過掃描時獲得影像數(shù)據(jù)，應(yīng)用RISCAN PRO的Image Registration模塊對點云數(shù)據(jù)進行影像匹配，獲取點云的顏色信息。

圖3 影像匹配后點云數(shù)據(jù)(部分)

5.3 點云數(shù)據(jù)抽稀

由于掃描的點云數(shù)據(jù)間隔小，數(shù)據(jù)量大，需要對數(shù)據(jù)進行抽稀，得到適合建構(gòu)筑物點位提取的有效數(shù)據(jù)。因此對處理后的點云數(shù)據(jù)以0.05m間隔進行抽稀，抽稀后的點云數(shù)據(jù)，作為竣工圖提取相關(guān)信息的原始數(shù)據(jù)。

5.4 線狀地物提取

在RISCAN隨機自帶軟件中，提取軌道的平面位置和軌頂標(biāo)高、軌道的道岔、消火栓、行車信號燈等特征點。地下區(qū)間隧道和地下車站及附屬設(shè)施提取隧道內(nèi)側(cè)的平面位置、高程，隧道底高、起拱高與頂高，同時對車站出入口、通道和風(fēng)道結(jié)構(gòu)的平面位置和高程進行數(shù)據(jù)提取，形成隧道平面圖，對特征部分進行注記。將提取的平面圖疊加在隧道對應(yīng)地面的地形圖上，形成竣工地形圖，提交規(guī)劃管理部門驗收。

圖4 隧道特征線提取(部分)

圖5 隧道斷面線提取(部分)

6 結(jié) 語

本次針對三維激光掃描系統(tǒng)在軌道交通隧道工程竣工測量中的應(yīng)用進行了研究，提出了該技術(shù)在隧道竣工測量中的數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理方法，說明三維激光掃描技術(shù)在隧道竣工測量中應(yīng)用的可行性。通過三維激光掃描技術(shù)獲取了隧道的點云數(shù)據(jù)，為大量的后續(xù)隧道數(shù)字化建設(shè)任務(wù)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，是實施全方位隧道維護戰(zhàn)略、提高隧道設(shè)施維護經(jīng)濟效益的保證。

[1] 肖書安，張正祿.高速鐵路隧道竣工測量新技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2007(9)：72～74.

[2] 歐斌，黃承亮.三維激光掃描技術(shù)在分方測量中的應(yīng)用研究[J].城市勘測，2012(2)：123～125.

[3] 秦長利.城市軌道交通工程測量[M].武漢：武漢大學(xué)，2005.

[4] 馬立廣.地面三維激光掃描測量技術(shù)研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2005.

[5] 鄭德華，雷偉光.地面三維激光影像掃描測量技術(shù)[J].鐵路航測，2003，(2)：26～28.

[6] 鄭德華，沈云中，劉春.三維激光掃描儀及其測量誤差影響因素分析[J].測繪工程，2005，14(2)：32～34.

The Application and Research of 3D Laser Scanning Technology in Finish Tunneling Survey

Kong Xiangling，Ou Bin
(Chongqing Surveying Institute，Chongqing 400020，China)

The research and application of themethod of combining the production，it introduced 3D laser scanning technology of the data collection process in urban rail traffic finish tunneling survey，and operated to registration、cutting、placed images、imagematching、vacation and Line features extraction to collect data，discussed about feasibility of application、Technological advantage、measuring method and data processing method of 3D laser scanning technology in the finish tunneling survey field.

3D laser scanning；Rail transit；Finish tunneling survey；Point clouds data

1672-8262(2013)02-100-03

P235

A

2012—07—18

孔祥玲(1973—)，女，高級工程師，主要從事工程測量工作。