三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道斷面測量中的應(yīng)用

萬冠軍， 馬全明， 丁林磊

(1. 北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司， 北京 100101； 2. 中國能源建設(shè)集團廣西電力設(shè)計研究院有限公司， 南寧 530023)

三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道斷面測量中的應(yīng)用

萬冠軍1， 馬全明1， 丁林磊2

(1. 北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司， 北京 100101； 2. 中國能源建設(shè)集團廣西電力設(shè)計研究院有限公司， 南寧 530023)

地鐵隧道土建施工完成后為了對線路進行調(diào)線調(diào)坡，需要對地鐵隧道進行斷面測量，三維激光掃描技術(shù)與常規(guī)測量方法相比具有非接觸式測量、可高密度采集空間三維點云數(shù)據(jù)等特點，為地鐵斷面測量提供了新的技術(shù)手段。介紹三維激光掃描技術(shù)的基本原理和在地鐵隧道斷面測量中的方法，并結(jié)合南寧地鐵1號線隧道斷面測量工程實例，對三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道斷面測量中應(yīng)用的可行性進行探討。斷面測量成果不僅為線路進行調(diào)線調(diào)坡提供依據(jù),而且還可以為后續(xù)的隧道模型構(gòu)建、隧道變形分析以及鋪軌和設(shè)備安裝等工作提供相關(guān)應(yīng)用和支持。

城市軌道交通； 三維激光掃描技術(shù)； 隧道斷面測量； 點云數(shù)據(jù)； 調(diào)線調(diào)坡

1 研究背景

在地鐵隧道土建施工完成后，成形隧道的空間位置與設(shè)計值相比會存在一定程度的誤差，因此，地鐵隧道設(shè)計線路需根據(jù)施工完成后的隧道實際情況進行相地鐵隧道斷面測量方法主要有全站儀法、斷面儀法和三維激光掃描法。全站儀法是在實地5 m左右選取一個斷面，通過采集該斷面上的若干離散點數(shù)據(jù)，然后將這些離散點擬合成一個斷面，該方法數(shù)據(jù)采集密度低、速度慢、人工作業(yè)量大、數(shù)據(jù)后續(xù)利用度低。

斷面儀法采集的是一個隧道斷面上連續(xù)的點，雖然精度高但一次設(shè)站只能采集一個斷面，對于長隧道，作業(yè)效率依然不高，且采集的斷面不連續(xù)，無法建模。

三維激光掃描技術(shù)是一門新興的測繪技術(shù)，能快速采集原始數(shù)據(jù)，具有非接觸、精度高、速度快的特點，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(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，是目前國內(nèi)外測繪領(lǐng)域研究關(guān)注的熱點之一[1]。三維激光掃描獲得數(shù)據(jù)為點云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大、精度高、作業(yè)效率提高明顯，并且點云數(shù)據(jù)經(jīng)過加工也可應(yīng)用到后續(xù)工程中，數(shù)據(jù)利用價值高，可以做到“一次掃描，多次應(yīng)用”，為地鐵隧道斷面測量提供了一個全新的途徑。本文主要介紹三維激光掃描技術(shù)的原理、工作流程，結(jié)合南寧地鐵1號線某區(qū)間工程實例，闡述三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道斷面測量中的技術(shù)可行性、可靠性及應(yīng)用方法。

2 基本原理

三維激光掃描技術(shù)是利用激光測距的原理，采用非接觸式高速激光測量的方式，采集物體表面大量密集點的三維坐標(biāo)，獲取物體的幾何圖形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，使用專業(yè)軟件對采集的點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進行處理，并轉(zhuǎn)換成絕對坐標(biāo)系中的空間位置坐標(biāo)或模型，以多種不同的格式輸出，滿足空間信息數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源和不同項目的需要。三維激光掃描儀工作原理見圖1。

圖1 三維激光掃描儀工作原理Fig.1 Principle of 3D laser scanner

三維激光掃描系統(tǒng)主要由掃描儀、控制器和電源控制系統(tǒng)3部分組成，其中三維激光掃描儀主要包括掃描頭、控制器、計算機等。三維激光掃描儀發(fā)出1個激光脈沖信號通過傳動裝置的掃描運動和2個同步反射鏡快速而有序地旋轉(zhuǎn)，掃過被測物體表面并反射回三維激光掃描儀接收器。儀器中心到被測物體表面任意一點的距離S，由激光從發(fā)出經(jīng)被測物體表面再返回儀器所經(jīng)過的時間差計算得到；掃描儀同時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θ，最后計算出被測物體上任意一個激光點P的三維坐標(biāo)，通過一系列處理獲得目標(biāo)物體表面的點云數(shù)據(jù)。三維激光掃描點坐標(biāo)計算原理如公式(1)所示。

(1)

3 工作流程

三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道斷面測量中的整個工作流程分為采集外業(yè)數(shù)據(jù)、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)預(yù)處理、截取隧道斷面、成果輸出等，詳見圖2。

圖2 地鐵隧道斷面測量工作流程Fig.2 Flow chart of subway tunnel section measurement

3.1 采集外業(yè)數(shù)據(jù)

在Faro掃描儀底安裝APM定位基座，其主要組成部分是通信模塊和2個定位棱鏡，如圖3所示。在掃描儀的前方5 m處架設(shè)定位球靶，定位球靶由棱鏡和半個球面組合而成。當(dāng)一個測站工作時，首先由架設(shè)在已知控制點上的全站儀測量掃描儀底座上的2個棱鏡，從而確定掃描儀中心的絕對坐標(biāo)，然后測量定位球靶，得到定位球靶的絕對坐標(biāo)。掃描結(jié)束時，一個測站工作結(jié)束，掃描儀和定位球靶向前推進，進行下一測站的掃描工作。整個工程結(jié)束后，利用2套坐標(biāo)系3個以上共同點進行空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。工作原理如圖4所示。

圖3 Faro掃描儀和APM定位基座Fig.3 Faro scanner and APM positioning base

圖4 一個測站掃描工作原理Fig.4 Schematic diagram of a scanning station

3.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)預(yù)處理

在點云后處理軟件中，拼接各個測站的點云數(shù)據(jù)，剔除原始的點云數(shù)據(jù)中存在噪聲點及各類障礙物等無用數(shù)據(jù)。

3.3 截取隧道斷面

數(shù)據(jù)預(yù)處理后，在專業(yè)軟件中，進行三維建模，確定實測的隧道中心線，加載隧道的設(shè)計中心線，并沿其法線方向按一定間隔截取隧道斷面。

3.4 成果輸出

將截取的斷面圖輸出成DWG 格式文件，并生成相應(yīng)數(shù)據(jù)表格，提供給設(shè)計單位進行調(diào)線調(diào)坡使用[2-8]。

4 工程案例

4.1 作業(yè)方法

以南寧地鐵1號線某區(qū)間隧道斷面測量為試驗段，進行三維激光掃描隧道斷面測量試驗。試驗采用FARO Focus 3D 掃描儀配合安伯格APM定位基座的方法，每隔20 m設(shè)一站，整個數(shù)據(jù)采集工作選用中等速度和質(zhì)量進行，一個測站的掃描時間大約為5 min。

外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，利用本院開發(fā)的Tunnel Survey軟件進行處理。對隧道模型進行中心線提取，并按每隔1 m輸出中心線法線方向的斷面圖(見圖5)，成果采用DWG格式，然后通過與相應(yīng)的設(shè)計值相比較，生成供設(shè)計單位調(diào)線調(diào)坡使用的斷面成果報表，如表1所示。

圖5 斷面成果圖Fig.5 Sectional drawing

里程ZDK測點左側(cè)右側(cè)底點高程頂點高程軌面高程軌道結(jié)構(gòu)高度軌上高度實測值/mm設(shè)計值/mm差值/mm實測值/mm設(shè)計值/mm差值/mm實測值/m設(shè)計值/m差值/mm實測值/m設(shè)計值/m差值/mm設(shè)計值/m實測值/mm設(shè)計值/mm差值/mm實測值/mm21375.000上228322582521822258-7659.44759.494-4764.85364.894-4160.354907860474499中275326975526512697-46下258325127124822512-3021376.000上228122582221812258-7759.44759.496-4964.85264.896-4460.356909860494496中275226975525632697-45下258325127124842512-28

圖6 水平差值(左線)Fig.6 Horizontal difference map

圖7 高程差值(左線)Fig.7 Elevation difference map

續(xù)表

注：差值=實測值-設(shè)計值

4.2 與全站儀法數(shù)據(jù)比較分析

將三維激光掃描儀測量成果與全站儀測量成果進行比較，由于全站儀獲取的數(shù)據(jù)是按每隔6 m左右進行實測的，而不是按自定義的間隔數(shù)截取的，所以本文只選取位置接近的地方進行比較，兩種方法比較成果如圖6、7所示。

從比較結(jié)果來看，掃描儀獲取的數(shù)據(jù)和全站儀獲取的數(shù)據(jù)雖然在數(shù)值上會有一些差別，差值絕大部分在15 mm以內(nèi)，個別達到20～30 mm，但變化趨勢基本一致。

5 結(jié)語

從上述的論述可以看出，三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)的測量方法相比較，極大地提高了作業(yè)效率，縮短了外業(yè)時間，避免了外業(yè)數(shù)據(jù)的重復(fù)采集，同時提取了更為準(zhǔn)確豐富的斷面成果。這些斷面測量成果不僅為線路進行調(diào)線調(diào)坡提供了依據(jù)，而且還可以為后續(xù)的隧道模型構(gòu)建、隧道變形分析以及鋪軌和設(shè)備安裝等工作提供了相關(guān)應(yīng)用和支持。因此，該方法是隧道斷面測量的發(fā)展趨勢，具有良好的應(yīng)用前景和推廣價值[9-10]。

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(編輯：郝京紅)

Application of 3D Laser Scanning Technology in Subway Tunnel Section Measurement

WAN Guanjun1, MA Quanming1, DING Linlei2

(1. Beijing Urban Construction Exploration & Surveying Design Research Institute Co., Ltd., Beijing 100101; 2. China Energy Engineering Group Guangxi Electric Power Design & Research Institute Co., Ltd., Nanning 530023)

After the construction of subway main structure, the profile of subway tunnel needs to be surveyed in order to realize the route adjustment of alignment and gradient. Compared with the conventional measuring methods, 3D laser scanning technology has the characteristics of non-contact measurement and can collect space 3D point cloud data with high density, which provides a new way for the measurement of subway profile. This paper introduces the basic principles of 3D laser scanning technology and the measurement methods of subway tunnel section. In terms of tunnel section measurement engineering project in Line 1 of Nanning Rail Transit, the application feasibility of 3D laser scanning technology in tunnel profile measurement is discussed. The results of cross sectional survey provide not only the basis for the alignment and gradient adjustment of the line, but also support for tunneling model building, tunnel deformation analysis, and track laying and equipment installation. Keywords: urban rail transit; 3D laser scanning technology; tunnel section measurement; point cloud data; route adjustment of alignment and gradient

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.04.012

2017-01-06

2017-03-08

萬冠軍，男，本科，工程師，從事軌道交通測量工作， 59104766@qq.com應(yīng)的調(diào)整。這就需要進行地鐵隧道斷面測量，為調(diào)線調(diào)坡工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

U231.1

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1672-6073(2017)04-0060-05