基于三維激光掃描技術(shù)深圳地鐵十號(hào)線現(xiàn)狀調(diào)查

肖佳軍

（深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 深圳 518109）

1 引言

地鐵是城市重要的交通運(yùn)輸工具，但是地鐵運(yùn)輸速度快、運(yùn)力強(qiáng)，人員較為密集，一旦出現(xiàn)危險(xiǎn)，后果不堪設(shè)想[1]。但在城市內(nèi)部，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)跨越地鐵線路的情況較為常見(jiàn)，需要嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，以減輕對(duì)地鐵工程的影響。但是，在施工前，獲取地鐵現(xiàn)狀，可減少工程施工后的“糾紛”，是十分必要的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)不斷發(fā)展，在軌道交通、市政道路、邊坡巖體等工作中取得了較多的應(yīng)用[2-6]。多項(xiàng)工程實(shí)踐工作表明，采用三維激光掃描技術(shù)具備精度高、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)。深圳市城市化程度高，地鐵里程名列前茅。在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過(guò)程中，經(jīng)常遇到穿越地鐵線路的情況。結(jié)合五和河左支污水干支管網(wǎng)跨越地鐵10號(hào)線工程，對(duì)三維激光掃描技術(shù)在地鐵現(xiàn)狀調(diào)查中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

2 工程概況及設(shè)備參數(shù)

2.1 工程概況

五和河左支污水干支管網(wǎng)完善工程橫跨地鐵10 號(hào)線，施工區(qū)域?yàn)閃33～W42 污水設(shè)計(jì)管段。監(jiān)測(cè)地鐵隧道里程左線樁號(hào)DK14+250～DK14+674，總長(zhǎng)424 m；右線樁號(hào)DK14+250～DK14+588，總長(zhǎng)338 m。

為確保地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全，在頂管施工前，需進(jìn)行地鐵隧道結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀調(diào)查、隧道三維激光掃描等。三維激光掃描長(zhǎng)度：左線460 m（DK14+235～DK14+695），右線355 m（DK14+240～DK14+595），共計(jì)815m。

2.2 掃描設(shè)備

本次掃描采用法國(guó)FAROS350 三維移動(dòng)掃描設(shè)備，F(xiàn)ARS350 設(shè)備具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 FAROS350 設(shè)備參數(shù)

圖1 項(xiàng)目位置示意圖

3 三維激光點(diǎn)云外業(yè)數(shù)據(jù)采集

3.1 儀器擺放與設(shè)置

把腳架調(diào)到最高，把儀器從儀器箱里取出，然后放在腳架的接口處并擰緊制動(dòng)開(kāi)關(guān)。儀器要放在軌道中間，確定放置平穩(wěn)后打開(kāi)儀器開(kāi)關(guān)，一般開(kāi)機(jī)需要1 min～2 min 的時(shí)間；當(dāng)開(kāi)機(jī)完成后，新建項(xiàng)目文件，文件命名為項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)間數(shù)字（年+月+日），掃描模式設(shè)置為室內(nèi)10 m 以外，平均點(diǎn)間距設(shè)置為0.77 cm，掃描時(shí)間5 分20 秒。

3.2 標(biāo)靶的擺設(shè)

標(biāo)靶分為特制球形標(biāo)志(也稱標(biāo)靶球)和棱鏡球。放置標(biāo)靶球時(shí)必須注意：標(biāo)靶球與掃描儀器的距離控制在8 m～10 m 以內(nèi)，標(biāo)靶球擺成三角形；如果側(cè)邊標(biāo)靶球無(wú)法擺放，則將球放置地面，不能放成等邊三角形；標(biāo)靶球不能被物體遮擋；不能將標(biāo)靶放在一條直線上；否則會(huì)降低拼接精度；安放位置要確保穩(wěn)定。

3.3 測(cè)站設(shè)置

每站掃描結(jié)束后，在掃描儀液晶屏上瀏覽點(diǎn)云快速視圖，查閱各標(biāo)靶球是否清晰可見(jiàn)，對(duì)于看不清楚的標(biāo)靶球，必須選擇刪除當(dāng)前測(cè)站，并重新掃描本測(cè)站。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)示意圖

4 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

4.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用的是FARO 自帶的處理軟件SCENE，見(jiàn)圖3。通過(guò)標(biāo)靶球?qū)⑾噜弮蓚€(gè)掃描站的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接,相鄰兩個(gè)掃描站的點(diǎn)云拼接精度一般在2 mm 左右。

圖3 SCENE 軟件處理

左線、右線這兩段地鐵掃描點(diǎn)云見(jiàn)圖4。

圖4 點(diǎn)云分布圖

4.2 斷面提取

考慮到站臺(tái)段掃描段和通道段掃描段的頭尾兩端的點(diǎn)云密度較為稀疏，因此在提取斷面時(shí)，需要從首尾架站處的點(diǎn)云開(kāi)始截取斷面。具體斷面提取過(guò)程如下：

（1）通過(guò)3DReshaper 軟件去除隧道中的噪聲點(diǎn)，然后通過(guò)軟件及人工處理的方式刪除非隧道的點(diǎn)云，見(jiàn)圖5。

圖5 原始隧道點(diǎn)云與去除噪聲點(diǎn)后的點(diǎn)云

（2）隧道中軸線的提取包括兩個(gè)步驟，一是計(jì)算隧道整體的全局輔助線，通過(guò)人工方式進(jìn)行繪制；二是借助于全局輔助線，通過(guò)軟件自動(dòng)擬合出一條最佳的隧道中軸線，見(jiàn)圖6。

圖6 隧道點(diǎn)云的中軸線提取

（3）根據(jù)《城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范》規(guī)定：線路直線、曲線段每6m 和5m 測(cè)設(shè)一個(gè)橫斷面。本項(xiàng)目依據(jù)提取的中軸線，每隔5m 提取一個(gè)斷面。斷面與中軸線的交點(diǎn)即為斷面的中點(diǎn)，見(jiàn)圖7。

圖7 斷面與中軸線提取

4.3 掃描結(jié)果分析

提取各掃描段的斷面及其中心點(diǎn)后，對(duì)各掃描段的中心高度值、最大水平寬度值、頂點(diǎn)高度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

4.3.1 左線掃描分析

依據(jù)三維激光掃描數(shù)據(jù)，將左線各斷面的中心高度值、水平最大寬度值、頂點(diǎn)高度值，由起點(diǎn)位置開(kāi)始依次序繪制成圖8，以便直觀的判別各參數(shù)在隧道中的變化情況。左線隧道中心高度值在2.1 m～2.3 m 之間，整體稍有起伏；水平最大寬度值為5.4 m，沿線變化不大；頂點(diǎn)高度值在4.6 m～4.8 m 之間，整體較為平緩，變化較小。

圖8 左線三維激光掃描數(shù)據(jù)

4.3.2 右線掃描分析

依據(jù)三維激光掃描數(shù)據(jù)，將右線各斷面的中心高度值、水平最大寬度值、頂點(diǎn)高度值繪制成圖9，以便直觀地判別在隧道的變化情況。

圖9 右線三維激光掃描數(shù)據(jù)

右線隧道中心高度值在2.1 m～2.3 m 之間，整體稍有起伏；水平最大寬度值為5.4 m，沿線變化不大；頂點(diǎn)高度值在4.7 m左右，整體較為平緩，變化較小。

4.4 三維激光掃描精度檢查

1）SCENE 軟件點(diǎn)云拼接精度檢查，檢查結(jié)果表明：相鄰站拼接誤差為2 mm 左右，誤差在規(guī)范允許的范圍以內(nèi)。

2）隨機(jī)選取5 個(gè)斷面，使用測(cè)距儀對(duì)水平最大寬度值，頂點(diǎn)高度值量取，每個(gè)值量取2 次，取平均值作為該檢查值，與三維激光掃描原測(cè)值進(jìn)行比對(duì)分析。經(jīng)比對(duì)計(jì)算，邊長(zhǎng)最大差值為0.3 cm，說(shuō)明斷面測(cè)量成果合格，三維激光掃描精度滿足精度要求。

隧道現(xiàn)狀調(diào)查利用三維激光掃描儀及人工調(diào)研形式進(jìn)行，在地鐵隧道左線記錄到13 個(gè)部位病害影響資料，右線記錄到13 個(gè)部位病害影像資料。

5 結(jié)論

為了獲取地鐵10 號(hào)線現(xiàn)狀，利用架站式三維激光掃描儀獲取地鐵隧道中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云測(cè)距精度為毫米級(jí)。借助于標(biāo)靶球?qū)Ω飨噜彃呙枵局g的拼接精度為毫米級(jí)。使用FARO自帶的點(diǎn)云處理軟件，對(duì)點(diǎn)云每隔5 m 提取一個(gè)斷面，從而獲取了整個(gè)掃描區(qū)域的輪廓形態(tài)，數(shù)據(jù)成果滿足相關(guān)要求。三維激光掃描結(jié)果表明：深圳地鐵10 號(hào)線調(diào)查段整體情況良好，部分區(qū)域存在修補(bǔ)、濕跡等病害現(xiàn)象。

圖10 部分病害影像資料