基于TLS 技術(shù)的城市地鐵工程測(cè)量研究

孫冬冬

（北京住總集團(tuán)有限責(zé)任公司土木工程建設(shè)總承包部，北京 100029）

1 引言

城市地鐵系統(tǒng)作為一種快速、便捷、大容量的公共交通方式，越來(lái)越成為現(xiàn)代城市交通規(guī)劃的核心組成部分。 然而，城市地鐵工程的規(guī)模和復(fù)雜性也隨之增加，對(duì)其設(shè)計(jì)、建設(shè)和維護(hù)提出了更高的要求[1-2]。 傳統(tǒng)的測(cè)量方法在應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)時(shí)作用有限，難以滿足對(duì)地鐵工程高精度、高效率測(cè)量的需求。因此，研究以三維激光掃描（3D Terrestrial Laser Scanning，3D TLS）技術(shù)為基礎(chǔ)，利用激光束的非接觸性掃描，快速、準(zhǔn)確地獲取大范圍的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)， 旨為地鐵工程提供準(zhǔn)確的幾何數(shù)據(jù)，幫助精確設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)，提高整個(gè)地鐵系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

2 城市地鐵工程測(cè)量中三維激光掃描技術(shù)分析

2.1 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用與優(yōu)勢(shì)分析

三維激光掃描技術(shù)是一種新型的測(cè)量技術(shù)， 其利用激光測(cè)距和精確角編碼器獲取目標(biāo)物體的三維坐標(biāo)。 三維激光掃描技術(shù)的基本原理是， 通過(guò)激光測(cè)距和精確角編碼器測(cè)量目標(biāo)物體的三維坐標(biāo)。 激光測(cè)距儀發(fā)射激光束，打到目標(biāo)物體上后反射回來(lái)，通過(guò)測(cè)量激光束往返時(shí)間計(jì)算距離。 同時(shí)，角編碼器可以精確測(cè)量激光束的角度， 從而計(jì)算出目標(biāo)物體在三維空間中的坐標(biāo)[3]。 與傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)相比，三維激光掃描技術(shù)具有高效率、高精度、非接觸、數(shù)字化、自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，可以在短時(shí)間內(nèi)獲取大量目標(biāo)物體的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)， 并且可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理和分析，大大提高測(cè)量效率和精度。 因此，研究將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于城市地鐵工程測(cè)量。

三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用流程包括以下步驟。 首先，選擇測(cè)量場(chǎng)景，如地鐵站臺(tái)、隧道等。 然后，安裝激光掃描儀器并確保覆蓋整個(gè)測(cè)量區(qū)域。 在掃描過(guò)程中， 激光儀器記錄點(diǎn)云數(shù)據(jù)，隨后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、配準(zhǔn)，消除可能存在的誤差，再利用處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成三維模型，將其轉(zhuǎn)換為可視化的形式。 通過(guò)時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。 比對(duì)三維模型與設(shè)計(jì)模型，監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，提高設(shè)備維護(hù)效率。 建立數(shù)字孿生模型，整合其他工程數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬和優(yōu)化，支持規(guī)劃和決策。 進(jìn)行數(shù)據(jù)管理與可視化，建立綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，生成測(cè)量報(bào)告，為決策者提供翔實(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)支持。

三維激光掃描技術(shù)在城市地鐵工程中展現(xiàn)出了多方面的顯著優(yōu)勢(shì)。 首先，其高精度測(cè)量能力能為地鐵工程提供準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，有力支持工程的精細(xì)設(shè)計(jì)和施工。 其次，相較于傳統(tǒng)方法， 激光掃描技術(shù)以高效快速的數(shù)據(jù)采集速度脫穎而出，有效提高了測(cè)量效率。 非接觸式測(cè)量特性保護(hù)了地鐵結(jié)構(gòu)的完整性，避免了潛在的損傷。 全方位數(shù)據(jù)獲取能夠覆蓋難以到達(dá)的區(qū)域，為工程提供更為全面的信息。 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析功能使得工程管理者能夠及時(shí)響應(yīng)潛在問(wèn)題， 提高工程的安全性和可靠性。 此外，支持?jǐn)?shù)字孿生模型的建立，為地鐵系統(tǒng)的規(guī)劃和決策提供了有力的工具。 適用于復(fù)雜環(huán)境的特性使激光掃描技術(shù)在各種場(chǎng)景下表現(xiàn)卓越。 最終，其綜合數(shù)據(jù)管理能力通過(guò)整合不同數(shù)據(jù)源，建立綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，為數(shù)據(jù)管理和可視化提供便利。

2.2 三維激光掃描技術(shù)中點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理是三維激光掃描技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)， 對(duì)于提高數(shù)據(jù)質(zhì)量、準(zhǔn)確性和可用性，以及支持后續(xù)的建模、分析和決策過(guò)程至關(guān)重要。 因此， 研究針對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理做出分析。 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理主要步驟如圖1 所示。

圖1 三維激光掃描技術(shù)中點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理步驟

由圖1 可知，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理包括8 個(gè)步驟。 首先是通過(guò)激光掃描儀等設(shè)備獲取場(chǎng)景的三維坐標(biāo)點(diǎn)信息， 然后進(jìn)行去噪操作以排除干擾點(diǎn)。 隨后，通過(guò)濾波方法進(jìn)一步清理數(shù)據(jù)。配準(zhǔn)步驟用于將不同位置的點(diǎn)云對(duì)齊， 以確保它們處于同一坐標(biāo)系。 特征提取和點(diǎn)云分割有助于識(shí)別場(chǎng)景中的有意義特征和分割出相似屬性的子集。 通過(guò)三維重建，離散的點(diǎn)云數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為具有幾何形狀和結(jié)構(gòu)的三維模型。 最后，利用處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行具體的應(yīng)用分析。

其中，點(diǎn)云獲取與點(diǎn)云配準(zhǔn)為最重要的步驟，點(diǎn)云獲取涉及使用激光掃描儀或其他傳感器來(lái)采集環(huán)境中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云的獲取質(zhì)量直接關(guān)系到后續(xù)處理的結(jié)果。 如果獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或者缺乏必要的信息， 那么后續(xù)的處理步驟就會(huì)受到影響，導(dǎo)致最終的三維模型不準(zhǔn)確。 而在不同的掃描位置或者不同的時(shí)間點(diǎn)獲取的點(diǎn)云需要進(jìn)行配準(zhǔn)， 即將它們對(duì)齊到同一坐標(biāo)系中。 點(diǎn)云配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到最終生成的三維模型的精度。 如果配準(zhǔn)不準(zhǔn)確，可能導(dǎo)致點(diǎn)云中存在偏差，影響后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析、模型生成以及其他應(yīng)用。

針對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取， 研究選擇安博格定位法（Amberg Position Method，APM）。 傳統(tǒng)方法通過(guò)在掃描儀前后任意擺放3 個(gè)以上的標(biāo)靶球，并使用掃描儀測(cè)定它們的三維坐標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)配準(zhǔn)。 然而，這種方法存在布設(shè)位置不固定和高程精度相對(duì)較低的問(wèn)題。 相反，APM 定位法采用全站儀與掃描儀結(jié)合使用，通過(guò)全站儀獲取標(biāo)靶球與雙棱鏡基座的點(diǎn)位坐標(biāo)， 從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云坐標(biāo)在掃描儀內(nèi)部坐標(biāo)系與地鐵坐標(biāo)系的統(tǒng)一。 這種方法提高了外業(yè)效率，簡(jiǎn)化了工作流程，并通過(guò)雙棱鏡的定位基座和球形棱鏡的組合定位， 有效減少了每一站點(diǎn)云掃描數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差累積，保證了整體點(diǎn)云的外符合精度。

針對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，研究采用全站儀測(cè)定靶球中心坐標(biāo)，掃描儀擬合靶球中心坐標(biāo)以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法， 通過(guò)全站儀獲取球形棱鏡的地鐵坐標(biāo)數(shù)據(jù)， 然后通過(guò)掃描儀擬合靶球中心坐標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)。 具體步驟包括全站儀測(cè)定靶球中心坐標(biāo)， 通過(guò)掃描儀獲取球形棱鏡的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并擬合球體，然后利用擬合靶球坐標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。 全站儀和掃描儀獲取的數(shù)據(jù)相結(jié)合， 通過(guò)六參數(shù)配準(zhǔn)方法計(jì)算旋轉(zhuǎn)平移參數(shù)，將所有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系下，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的統(tǒng)一配準(zhǔn)與自動(dòng)拼接。

3 基于TLS技術(shù)的城市地鐵工程測(cè)量項(xiàng)目分析

為驗(yàn)證三維激光掃描技術(shù)在城市地鐵工程測(cè)量項(xiàng)目中的實(shí)用性，研究針對(duì)北京市某地鐵站進(jìn)行測(cè)量。 所用設(shè)備包括戴爾計(jì)算機(jī)工作站（2 臺(tái)，用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理與分析），全站儀TS60（1 臺(tái)，測(cè)角精度0.5″，測(cè)距精度1 mm+1×10-6D，D 為全站儀實(shí)際測(cè)量的距離，km），球棱鏡（1 個(gè)，配合APM 定位使用），2 m 水準(zhǔn)標(biāo)尺（2 個(gè)，用于測(cè)量垂直高度），腳架（3 個(gè)，用于設(shè)備支撐），F(xiàn)aro Focus3D 330 三維激光掃描儀 （1 臺(tái)， 測(cè)距精度±2 mm，測(cè)量距離330 m），APM 定位基座（1 個(gè)，用于掃描儀的絕對(duì)定位）， Leica 常規(guī)棱鏡組 （3 組， 用于反射和定位），Leica 圓棱鏡 （3 個(gè)，2 個(gè)用于APM 基座， 一個(gè)用于全站儀定向），水準(zhǔn)儀DNA03（1 臺(tái)，精度0.3 mm/km）。

研究開(kāi)始前，首先進(jìn)行詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)踏勘，以全面了解地鐵站點(diǎn)的實(shí)際情況。 這涉及對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的形態(tài)、大小和關(guān)鍵屬性進(jìn)行分析，從而確定掃描站點(diǎn)、繪制掃描規(guī)劃草圖以及設(shè)計(jì)最佳掃描路線的整體方案。 踏勘考慮了工作路徑的明確性，以及避免外界因素對(duì)掃描作業(yè)的影響。 同時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求確定了適當(dāng)?shù)膾呙枵军c(diǎn)和目標(biāo)距離。 隨后，布設(shè)和測(cè)量控制點(diǎn)， 其中包括平面控制測(cè)量和高程控制測(cè)量?jī)蓚€(gè)主要方面。 在平面控制測(cè)量中，采用城市控制點(diǎn)作為測(cè)量的起始邊，通過(guò)支導(dǎo)線的方式將測(cè)量連接車站內(nèi)的加密點(diǎn)。 高程控制測(cè)量則采用二等水準(zhǔn)測(cè)量， 通過(guò)閉合水準(zhǔn)路線的方式將測(cè)量連接車站內(nèi)的高程加密點(diǎn)。 表格詳細(xì)列出了這些控制點(diǎn)的城市坐標(biāo)和地鐵坐標(biāo)， 為后續(xù)的掃描作業(yè)提供關(guān)鍵的基礎(chǔ)。

在實(shí)際掃描操作中，需注意明確工作路徑，防止外界因素的干擾，確保掃描站點(diǎn)的均勻分布。 操作中包括儀器的組裝和參數(shù)設(shè)置，掃描儀和標(biāo)靶球的安置，以及分站式掃描工作的具體操作。 所有這些步驟和注意事項(xiàng)旨在保證掃描作業(yè)的準(zhǔn)確性和高效性，為后續(xù)的數(shù)據(jù)采集和分析奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。 研究共測(cè)量40 個(gè)地鐵隧道橫斷面，并將測(cè)量結(jié)果與地鐵建造時(shí)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，首先計(jì)算得出其橢圓度T 值，此指標(biāo)量化橢圓形狀的偏離程度， 可以反映隧道橫斷面整體的形狀變化情況。 其次將測(cè)量結(jié)果與地鐵建造時(shí)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比得到擬合度。 具體結(jié)果如圖2 所示。

圖2 三維激光掃描技術(shù)在地鐵工程測(cè)量項(xiàng)目中的結(jié)果

由圖2 可知，40 個(gè)地鐵隧道橫斷面的橢圓度T 值范圍在6×10-4～1.04×10-2，擬合度均在95.00%以上。表明隧道橫斷面整體呈現(xiàn)出較小的橢圓度變化，且測(cè)量結(jié)果的擬合度較高，與橫斷面的設(shè)計(jì)形狀較為接近。 但要注意28 號(hào)與36 號(hào)等幾個(gè)橫斷面的T 值較大，擬合度較低的位置，數(shù)據(jù)說(shuō)明這些位置的地鐵隧道橫斷面形變較大，在后續(xù)監(jiān)測(cè)測(cè)量中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注，防止出現(xiàn)意外，影響城市地鐵的正常運(yùn)營(yíng)。

4 結(jié)論

三維激光掃描技術(shù)在城市地鐵工程中具有顯著的優(yōu)勢(shì)，包括高精度、高效率、非接觸、數(shù)字化、自動(dòng)化等特點(diǎn)。 研究提出以APM 定位法為基礎(chǔ)云數(shù)據(jù)獲取方法，以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方法。最后研究針對(duì)北京某地鐵站進(jìn)行實(shí)地測(cè)量工作。通過(guò)詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)踏勘、控制點(diǎn)布設(shè)和測(cè)量，以及橢圓度和擬合度的分析，測(cè)量結(jié)果表明，40 個(gè)地鐵隧道橫斷面的橢圓度T 值范圍在6×10-4～1.04×10-2，擬合度均在95.00%以上，表明整體呈現(xiàn)出較小的橢圓度變化，且測(cè)量結(jié)果與設(shè)計(jì)形狀接近。 然而，一些特定位置的地鐵隧道橫斷面形變較大，擬合度較低，需要在后續(xù)監(jiān)測(cè)中重點(diǎn)關(guān)注。

綜上所述， 三維激光掃描技術(shù)在城市地鐵工程中的應(yīng)用為工程測(cè)量提供了一種高效、精確的解決方案。