三維激光掃描儀在地鐵竣工測(cè)量中的應(yīng)用及精度分析

夏春初，王智，張洪德（青島市勘察測(cè)繪研究院，山東青島 266032）

三維激光掃描儀在地鐵竣工測(cè)量中的應(yīng)用及精度分析

夏春初?，王智，張洪德
（青島市勘察測(cè)繪研究院，山東青島 266032）

地鐵土建施工結(jié)束后，需要對(duì)車站及區(qū)間進(jìn)行竣工測(cè)量，傳統(tǒng)的測(cè)量方法主要是采用全站儀測(cè)量隧道區(qū)間的二襯斷面以及車站的空間尺寸，通過(guò)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比來(lái)分析土建工程的施工測(cè)量質(zhì)量，該方法外業(yè)工作量大，效率低且內(nèi)業(yè)處理過(guò)程繁瑣。在青島地鐵3號(hào)線中，將三維激光掃描儀應(yīng)用于竣工測(cè)量，該方法工作量小，數(shù)據(jù)處理效率高，且可以進(jìn)行三維建模對(duì)地鐵車站進(jìn)行漫游和空間分析處理，具有傳統(tǒng)測(cè)量手段無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

竣工測(cè)量；三維掃描；斷面測(cè)量；三維建模

1 引 言

地鐵竣工測(cè)量是在地鐵土建工程完工后進(jìn)行，主要任務(wù)是對(duì)已建成的地下構(gòu)筑物進(jìn)行測(cè)繪，并將獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)與原有設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，形成測(cè)量成果，供有關(guān)部門進(jìn)行綜合分析利用［1］。竣工測(cè)量主要是隧道區(qū)間的二襯斷面以及車站的空間尺寸測(cè)量。傳統(tǒng)的測(cè)量方法主要是利用全站儀或者測(cè)距儀等設(shè)備采集各個(gè)獨(dú)立點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)，內(nèi)業(yè)使用軟件或人工繪制斷面或空間尺寸圖，并與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行分析土建施工測(cè)量質(zhì)量，判斷是否滿足設(shè)計(jì)限界等要求。這種方法外業(yè)工作量大，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理繁瑣，效率低［2］。

三維激光掃描儀是近幾年發(fā)展起來(lái)的新型測(cè)量設(shè)備，它突破傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)，使得外業(yè)測(cè)量更加高效便捷，為空間三維數(shù)據(jù)的獲取提供了有效的測(cè)量手段。它采用非接觸式激光測(cè)量技術(shù)，以點(diǎn)云的形式采集并保存空間物體表面的三維幾何信息和紋理數(shù)據(jù)。三維激光掃描儀主要包括測(cè)距系統(tǒng)以及掃描系統(tǒng)，同時(shí)也集成CCD數(shù)字?jǐn)z影和儀器內(nèi)部校正等系統(tǒng)。其工作原理是:儀器對(duì)待測(cè)物體發(fā)射激光，根據(jù)激光發(fā)射和返回的時(shí)間差，得出掃描儀與物體的幾何距離，根據(jù)水平方向和垂直方向步進(jìn)角距值，計(jì)算出點(diǎn)位的三維坐標(biāo)，并由儀器存儲(chǔ)設(shè)備予以記錄儲(chǔ)存，再經(jīng)過(guò)后處理軟件的建模，便可得到被測(cè)物體的空間三維模型［3］。

在青島地鐵3號(hào)線永平路車站和西永區(qū)間的竣工測(cè)量中，使用了三維激光掃描儀，并獲得了良好的效果。

2 數(shù)據(jù)采集

青島地鐵3號(hào)線永平路車站為地下兩層島式車站，西永區(qū)間長(zhǎng)度為 984 m，采用噴錨構(gòu)筑法施工，車站主體結(jié)構(gòu)及區(qū)間二襯結(jié)束后，采用徠卡ScanStation C10三維激光掃描儀對(duì)其進(jìn)行竣工測(cè)量。徠卡Scan-Station C10三維激光掃描儀掃描視場(chǎng)角大、距離遠(yuǎn)，視場(chǎng)角水平方向?yàn)?60°，垂直方向?yàn)?70°，其表面建模精度為 2 mm，標(biāo)靶獲取精度為 2 mm，單點(diǎn)測(cè)量點(diǎn)位精度為 6 mm，距離精度為 4 mm，角度精度為12″。其內(nèi)置有400萬(wàn)像素的數(shù)碼相機(jī)，在獲取掃描點(diǎn)云的同時(shí)拍取照片，用于對(duì)點(diǎn)云的紋理貼圖。同時(shí)，為了滿足工程的更多需求，徠卡ScanStation C10支持外置高像素相機(jī)拍照功能，在掃描過(guò)程中獲取更高像素的照片，整個(gè)360°方向只要獲取6張照片即可。然后通過(guò)專業(yè)的Cyclone后處理軟件進(jìn)行快速貼圖，呈現(xiàn)更加逼真的真彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，豐富了掃描成果。

外業(yè)測(cè)量時(shí)，在車站和區(qū)間內(nèi)控制點(diǎn)上架設(shè)標(biāo)靶（圖1左圖），儀器根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)通視情況任意架站，但需和兩個(gè)標(biāo)靶通視，儀器整平后根據(jù)掃描儀性能參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境設(shè)定掃描站間距、掃描點(diǎn)密度，保證各測(cè)站之間具有一定的掃描重疊度。同步進(jìn)行隧道三維激光掃描，獲取隧道三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)也獲取標(biāo)靶點(diǎn)云數(shù)據(jù)。一般在地鐵隧道環(huán)境中，兩個(gè)掃描站間距在 50 m ～100 m之間，為提高數(shù)據(jù)利用率以及后期的三維模型制作及分析，掃描密度可選擇精細(xì)掃描模式，其在100 m處的掃描密度可以達(dá)到 0.3 mm，完全能夠滿足特殊工程項(xiàng)目的精細(xì)數(shù)據(jù)獲取的需要。

三維激光掃描儀獲取的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)主要包括:①根據(jù)2個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)用來(lái)反射脈沖激光鏡的角度值得到激光束水平方向值和豎直方向值；②根據(jù)脈沖激光傳播時(shí)間而計(jì)算得到的儀器到掃描點(diǎn)的距離值；③掃描點(diǎn)的反射強(qiáng)度；④通過(guò)數(shù)碼相機(jī)獲取的場(chǎng)景影像數(shù)據(jù)等［4］。前兩種觀測(cè)數(shù)據(jù)用來(lái)計(jì)算掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，掃描點(diǎn)的反射強(qiáng)度和場(chǎng)景影像數(shù)據(jù)則用來(lái)給反射點(diǎn)匹配顏色或給模型映射紋理。

? 收稿日期:2016—01—01

作者簡(jiǎn)介:夏春初（1980—），男，碩士，工程師，注冊(cè)測(cè)繪師，主要從事城市測(cè)量工作。

圖1　徠卡C10三維激光掃描儀工作現(xiàn)場(chǎng)

3 數(shù)據(jù)處理

（1）標(biāo)靶三維坐標(biāo)計(jì)算:利用導(dǎo)線和水準(zhǔn)測(cè)量的成果，進(jìn)行標(biāo)靶三維坐標(biāo)的計(jì)算。

（2）點(diǎn)云拼接:根據(jù)標(biāo)靶三維坐標(biāo)將每個(gè)測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)歸算到隧道施工使用的三維坐標(biāo)系統(tǒng)中。

（3）剔除噪音數(shù)據(jù):根據(jù)隧道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（平曲線、豎曲線和設(shè)計(jì)斷面），剔除隧道壁外的噪音數(shù)據(jù)。噪音數(shù)據(jù)主要是隧道內(nèi)的連接螺栓孔、螺帽、注漿孔及電纜、照明設(shè)備和其他附著在管壁上的設(shè)施［5］。

（4）通過(guò)專業(yè)的Cyclone后處理軟件進(jìn)行快速貼圖，生成真彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖2所示。

（5）成果輸出，根據(jù)需要提取并量測(cè)點(diǎn)云模型兩個(gè)指定點(diǎn)的空間幾何尺寸或提取區(qū)間指定里程的斷面數(shù)據(jù)，并與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較計(jì)算，如圖3所示。

圖2　永平路車站和西永區(qū)間三維模型

圖3　地鐵區(qū)間超欠挖分析圖

4 精度分析

三維激光掃描儀測(cè)量成果的精度主要受到儀器的角度測(cè)量精度、距離測(cè)量精度、分辨率、邊緣效應(yīng)、測(cè)量對(duì)象的反射特性、測(cè)量時(shí)的環(huán)境條件及后期的數(shù)據(jù)處理方法等因素的綜合影響。就原始數(shù)據(jù)本身來(lái)說(shuō)，角度測(cè)量精度和距離測(cè)量精度是影響測(cè)量成果精度的兩個(gè)主要因素，該精度主要和儀器出廠時(shí)標(biāo)稱的精度有關(guān)。而三維模型的精度則主要取決于激光腳點(diǎn)光斑的大小和采樣間距。激光腳點(diǎn)光斑的大小和采樣間距對(duì)于儀器來(lái)說(shuō)是可以調(diào)整的，其模型精度也會(huì)隨選取的標(biāo)準(zhǔn)不同而有所不同，不具有一致性。本文只討論單個(gè)掃描點(diǎn)的誤差影響因素及其影響情況。

三維激光掃描儀的測(cè)角精度不僅和儀器本身的系統(tǒng)誤差和測(cè)角誤差有關(guān)，還與待測(cè)物體表面材質(zhì)等特性有關(guān)，由于儀器捕獲到的首次能量反射可以來(lái)自激光腳點(diǎn)光斑范圍內(nèi)的任何位置，這就必然導(dǎo)致一定量的偏離中心軸線的系統(tǒng)誤差。這種實(shí)際觀測(cè)點(diǎn)偏離中心軸線的誤差存在不確定性，通常和觀測(cè)對(duì)象的光譜特征、表面粗糙度及表面法線與入射激光所形成的夾角有關(guān)。

三維激光掃描儀的測(cè)距誤差主要包含系統(tǒng)性誤差和隨機(jī)誤差兩項(xiàng)。由于測(cè)距也是以第一次俘獲到足夠反射能量來(lái)確定測(cè)量值的，而反射能量在很大程度上和目標(biāo)表面特性及表面法線與入射激光所成的夾角相關(guān)。因此由于入射激光和目標(biāo)表面不正交所產(chǎn)生的誤差必須予以適當(dāng)?shù)目紤]。

激光點(diǎn)在儀器坐標(biāo)系中的坐標(biāo)P（X，Y，Z）可表示為:

上式中S表示儀器中心至測(cè)點(diǎn)的斜距，α和θ表示儀器在水平方向和豎直方向上的旋轉(zhuǎn)角度。根據(jù)誤差傳播定律:其中:

根據(jù)上述誤差模型，即可對(duì)測(cè)站內(nèi)某些最弱點(diǎn)進(jìn)行精度估計(jì)，從而決定其取舍。對(duì)于高精度的三維激光掃描測(cè)量，尤其顯得重要，不但可以在測(cè)量后數(shù)據(jù)處理中根據(jù)最弱點(diǎn)精度來(lái)做出采樣點(diǎn)的適當(dāng)取舍，而且可以在項(xiàng)目測(cè)量設(shè)計(jì)書(shū)里根據(jù)預(yù)期要達(dá)到的精度、儀器視窗的大小及最弱點(diǎn)坐標(biāo)精度估算，正確選擇測(cè)量方案。

由于在本項(xiàng)目中采用精細(xì)掃描模式，使用的地下控制點(diǎn)經(jīng)過(guò)兩站一區(qū)間的聯(lián)測(cè)并平差計(jì)算，其最終點(diǎn)位掃描精度達(dá)到 3 mm。

5 結(jié) 語(yǔ)

青島地鐵3號(hào)線永平路車站和西永區(qū)間地鐵竣工測(cè)量的外業(yè)數(shù)據(jù)的拼接精度很高，這是由于掃描距離短且現(xiàn)場(chǎng)具有較高精度的控制點(diǎn)，內(nèi)業(yè)處理中使用Cyclone軟件，用于標(biāo)靶拼接、點(diǎn)云切片和點(diǎn)云擬合模型，成果更加全面；其成果具有點(diǎn)云、模型、線劃圖等多種表達(dá)方式。三維激光掃描儀的應(yīng)用，大大縮短了作業(yè)時(shí)間、節(jié)省了人力成本、提高了生產(chǎn)效率。

目前制約三維激光掃描儀發(fā)展的瓶頸主要是價(jià)格過(guò)高以及后處理軟件無(wú)法滿足一些工程的具體需求，隨著儀器價(jià)格的降低及后處理軟件的完善，三維激光掃描儀逐步應(yīng)用快速建立局部城市三維模型、古建筑測(cè)量與文物保護(hù)、逆向工程應(yīng)用、復(fù)雜建筑物施工、地質(zhì)研究、建筑物形變監(jiān)測(cè)等相關(guān)領(lǐng)域，將會(huì)把傳統(tǒng)測(cè)繪行業(yè)應(yīng)用引領(lǐng)到一個(gè)新的時(shí)代。

［1］王智.地鐵盾構(gòu)姿態(tài)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)測(cè)量與國(guó)土信息工程系，2011.

［2］鄭德華，沈云中，劉春.三維激光掃描儀及其測(cè)量誤差影響因素分析［J］.測(cè)繪工程，2005，14（2）：32～35.

［3］王智，邵成立，于宗偉.全站儀二次開(kāi)發(fā)技術(shù)在工業(yè)測(cè)量中的應(yīng)用研究［J］.測(cè)繪通報(bào)，2012（S1）：175～177.

［4］羅德安，廖麗瓊.地面激光掃描儀的精度影響因素分析［J］.鐵道勘察，2007（4）：5～7.

［5］廖胤齊.地鐵隧道結(jié)構(gòu)斷面測(cè)量方法及對(duì)比分析［J］.北京測(cè)繪，2014（4）：84～86.

The Application and Precision Analysis of Three-dimensional Scanner in Subway Completing Surveying

Xia Chunchu，Wang Zhi，Zhang Hongde
（Qingdao Institute of Geotechnical Investigation and Surveying Research，Qingdao 266032，China）

It’s necessary for the station and interval to complete surveying after the end of subway construction.Traditional measurement method is mainly to survey secondary lining sections of tunnel sections and station space size by total station instrument，and then analyzes the construction measurement quality of civil engineering comparing with the design data.The characteristic of this method is large working，low efficiency and complex processing.In Qingdao Metro Line 3，3D laser scanner was applied to completing surveying.This new method is small woriking，high efficiency of data process，and can carry on roaming and space analysis processing to the subway station with three-dimensional modeling，has inimitable advantage compared with the traditional measurement method.

completing surveying；three-dimensional scanning；tunnel section measuring；three-dimensional modeling

1672-8262（2016）02-129-03中圖分類號(hào)：P258

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