高鐵工程測量中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

高磊

（中鐵十二局集團第二工程有限公司測量大隊，山西 太原 030032）

新時代，城市化進程不斷加快，人們出行需求不斷增加，這為高鐵工程建設(shè)行業(yè)帶來了新的發(fā)展機遇。高鐵工程工期較長，施工環(huán)節(jié)與內(nèi)容較為復(fù)雜，致使工程建設(shè)難度較大。而測量工作是高鐵工程施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，信息化時代，傳統(tǒng)工程測量方式已難以滿足工程建設(shè)實際需求與社會時代發(fā)展要求，三維激光掃描技術(shù)的運用已成為必然。三維激光掃描技術(shù)所得測量數(shù)據(jù)誤差極小，數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，且可以同時測量多個點位，大大節(jié)約了工程測量時間。因此，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)積極探索實踐三維激光掃描技術(shù)運用新路徑，以切實彰顯三維激光掃描技術(shù)的獨特優(yōu)勢，保障高鐵施工建設(shè)活動的順利開展。

1 三維激光掃描技術(shù)的概述

三維激光掃描技術(shù)即激光掃描儀技術(shù)或激光雷達技術(shù)，是現(xiàn)階段一種較為先進的測量手段，其高精度、無接觸、迅速等特點主要體現(xiàn)在其在實踐過程中，利用激光掃描儀設(shè)備，通過發(fā)送與接收激光光束與激光信號進行遠距離測量。這一技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對物體表面大量點云數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)捕捉，并以三維坐標(biāo)系為依托，對目標(biāo)物體的三維形態(tài)進行構(gòu)建。在三維激光掃描技術(shù)運用過程中，激光束能夠十分迅速地對目標(biāo)物體進行橫向與縱向方向的掃描，并通過測量與反射回來的激光光束的實踐與角度數(shù)據(jù)信息對每個點的三維坐標(biāo)進行精準(zhǔn)計算。這些三維坐標(biāo)點形成了“點云”這一數(shù)據(jù)集，其中囊括了詳細的目標(biāo)物體表面相關(guān)幾何信息。之后，通過分析與處理點云數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)物體三維形態(tài)的重建、形狀、提取、體積計算等操作。三維激光掃描技術(shù)相較傳統(tǒng)測量技術(shù)而言，具有高效快捷、精準(zhǔn)度高、零接觸、全方位測量等優(yōu)勢，因此，在建設(shè)行業(yè)得以廣泛普及運用。在高鐵工程建設(shè)中，利用三維激光掃描技術(shù)能夠迅速獲取大量且精準(zhǔn)的軌道、隧道、車站等建筑物的幾何數(shù)據(jù)，為高鐵工程建設(shè)提供準(zhǔn)確且可靠的數(shù)據(jù)支撐。新時期測繪領(lǐng)域不斷創(chuàng)新技術(shù)，在技術(shù)支持下，各種工程修筑獲得了有效支持。三維激光掃描技術(shù)的誕生為基建項目建設(shè)提供幫助，該技術(shù)配合多種測繪儀器功能，融合先進技術(shù)手段，將其利用在高鐵工程測量方中，具備顯著優(yōu)勢：（1）精準(zhǔn)度高，提高生產(chǎn)作業(yè)的效率，在工程作業(yè)中測量速度每秒可達50cm，將其使用在大型工程修筑中，可縮短人力與材料投入，實現(xiàn)項目的精細化管理；（2）測量點分布較為密集，有500 余個采樣點分布在每個斷面中，所測量信息具有較強的全面性，基本上實現(xiàn)了對目標(biāo)物體的全方位測量?？稍诃h(huán)境復(fù)雜下完成測繪生產(chǎn)可在作業(yè)面較大的工程項目中生產(chǎn)，與特殊作業(yè)環(huán)境適配程度較高，技術(shù)十分靈活；（3）斷面測量間隔可以依照實際情況進行設(shè)置，與工程項目實際情況更為契合，更能滿足工程建設(shè)實際需求；（4）所測量結(jié)果覆蓋范圍較為全面，成果數(shù)量較多，能夠獲得任意間隔得多斷面圖，能夠在隧道表面測量激光影像；（5）測量結(jié)果可以運用在諸多方面，能夠為線路侵界、裂縫、管片錯臺等工程建設(shè)環(huán)節(jié)提供有價值的參考；（6）能實現(xiàn)無損檢測，即便在危險系數(shù)高的環(huán)境下測量也可以實現(xiàn)，為施工人員生命健康安全提供堅持保障；（7）在儀器假設(shè)方面具有較強的自由性，與傳統(tǒng)測量儀器相比，如全站儀等，無須進行對中操作，也就是說，在測量過程中不會出現(xiàn)對中誤差，且儀器架設(shè)受環(huán)境因素影響較小，架設(shè)地點可依照實際需求靈活變動。

2 高鐵工程測量的特點

（1）三網(wǎng)合一。該技術(shù)的使用可以為高鐵三網(wǎng)合一的功能實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。高速鐵路工程測量實踐融合施工控制網(wǎng)、軌道控制網(wǎng)以及勘測控制網(wǎng)三個方面，施工管理、高鐵基建環(huán)節(jié)都需要充分考慮三者。因此，在高速鐵路的施工階段，施工控制網(wǎng)、軌道控制網(wǎng)以及勘測控制網(wǎng)三者均發(fā)揮著不同效用，實現(xiàn)三者的有效融合，是作業(yè)中的關(guān)鍵。三網(wǎng)合一的實現(xiàn)，讓基建生產(chǎn)的勘測、施工與維護有序進行，確保不同的三個階段作業(yè)有效開展，讓測量工作切實、可靠進行。三網(wǎng)合一的實現(xiàn)需要依照CPI 基準(zhǔn)來實現(xiàn)，在施工過程中，充分做好施工控制網(wǎng)、軌道控制網(wǎng)以及勘測控制網(wǎng)的分析，通過有效的測量手段，以二等、三等水準(zhǔn)基點網(wǎng)搭建高程控制網(wǎng)。

（2）三級布設(shè)。高速鐵路工程對軌道的幾何線形要求非常高，控制標(biāo)準(zhǔn)需要精確至毫米級，這對測量提出更多要求。測量控制網(wǎng)既要滿足精度控制，同時也要滿足施工的要求，而且也要為高鐵的軌道鋪設(shè)奠定基礎(chǔ)，這導(dǎo)致測量作業(yè)要足夠精細，否則，將會導(dǎo)致高鐵基建修筑出現(xiàn)問題。在測量、設(shè)計方面，將誤差控制在高鐵工程相關(guān)制度所規(guī)定的最小范圍之內(nèi)，最大化保證二者的統(tǒng)一性。高程和位置在空間環(huán)境中的表現(xiàn)是高鐵軌道幾何尺寸呈現(xiàn)的載體，周圍建筑物將直接影響其功能的發(fā)揮，進而直接影響后期施工。進行測量的時候，需通過對相應(yīng)空間坐標(biāo)進行定位。學(xué)術(shù)上稱為軌道的絕對定位，具體是指測量軌道的外部幾何尺寸，可以借助不同級別的高程控制網(wǎng)來控制尺寸。滿足尺寸要求，后續(xù)的線下車站站臺、鐵路隧道、路基、橋梁的空間位置才應(yīng)該被保證，確保其與軌道相匹配。部分對等級較高的控制網(wǎng)，一次修筑完成需要消耗大量資金，投入較多，但效益卻不能一次性保障。因此，測量控制網(wǎng)的建立，需要以長期為準(zhǔn)則，堅持層次化控制原則，劃分為不同等級，有序開展。建議將基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)作為第一等級，線路控制網(wǎng)作為第二等級，軌道控制網(wǎng)作為最后一個等級建立起平面控制網(wǎng)，這對后續(xù)維護、保養(yǎng)工作都有極大幫助。

（3）獨立性的工程坐標(biāo)系。高鐵工程的測量精度非常高，作業(yè)過程中借助坐標(biāo)反算來確定邊長值與實測值之間的對應(yīng)關(guān)系，以確保尺度的一致性。由于作業(yè)的特殊性，地面測量的時候測量數(shù)據(jù)投影至平面必將會產(chǎn)生相應(yīng)的形變。以用國家投影坐標(biāo)系統(tǒng)為例，工程測量時，其邊長投影的最大變形值每公里可能達到34 厘米，這會嚴重影響高鐵工程施工作業(yè)。因此，在工程測量的時候需要控制好精準(zhǔn)度，通?？梢愿鶕?jù)獨立的工程坐標(biāo)系來修正精度，如利用獨立的工程坐標(biāo)體系來修正投影所產(chǎn)生的誤差，將其控制在每公里10mm 范圍內(nèi)，從而確保全站儀設(shè)備的測量精準(zhǔn)度。

（4）利用相對定位與絕對定位提高測量精度。高鐵工程測量定位過程中，傳統(tǒng)方式的利用絕對定位導(dǎo)致實際施工現(xiàn)象與設(shè)計存在較大差別，為施工建設(shè)帶來極大不便。當(dāng)前，高鐵工程測量所使用的是相對定位的方式進行軌道鋪設(shè)，通過相對定位，解決軌道短波不平順的問題，但這種方式不能有效處理長波不平順問題。部分曲線半徑較大和彎道較長的高鐵工程軌道鋪設(shè)施工作業(yè)中，利用相對定位的方式作業(yè)，會增加作業(yè)難度。為保證工作順利完成，通常需要將兩者進行結(jié)合，利用相對定位與絕對定位從根本上解決軌道作業(yè)情況。

3 三維激光掃描技術(shù)在高鐵工程測量中的應(yīng)用

3.1 工程概況

獨立控制網(wǎng)具體工程部位里程分段：工程名稱：?？邓淼?，起點里程：DK500 ＋204 ～DK513+980，長度(m)：14570。ZWZQ-7 標(biāo)段起點里程DK497+645 ～DK531+850，線路長度34.985km。標(biāo)段主要包括特大橋2954 延長米/3 座；大橋467 延長米/2 座；隧道31180延長米/4.5 座。

3.2 采集與處理基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)

在三維激光掃描技術(shù)運用過程中，首先，應(yīng)當(dāng)依照高鐵工程測量實際需求來掃描參數(shù)，結(jié)合項目需求來進行測量。在項目施工建設(shè)過程中，利用中等速度與質(zhì)量開展測量工作，掃描參數(shù)進行設(shè)置，將質(zhì)量設(shè)定為4X，以1/5 作為分辨率，將每個站點的測量時間控制在395s左右。其次，合理擺放儀器設(shè)站以及標(biāo)靶球。LeicaP40三維激光掃描技術(shù)在一定范圍內(nèi)測量有效，為確保精準(zhǔn)度，相鄰測站之間距離控制在30m 內(nèi)。實踐過程中測站兩端需擺放數(shù)量不相等的標(biāo)靶球，以區(qū)別測量范圍，一般標(biāo)靶球數(shù)量要大于3 個，不能在同一平面內(nèi)，如此才可以更好地參考。測量完畢后的數(shù)據(jù)處理為：（1）點云拼接及噪點處理，三維激光掃描技術(shù)配置數(shù)據(jù)處理軟件，利用點云數(shù)據(jù)處理軟件進行拼接；Cyclone 軟件可以處理掃描中的噪點，進行的刪除、加工；（2）接下來構(gòu)建三角網(wǎng)模型，作為數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)的重點與難點，作業(yè)內(nèi)容中，技術(shù)人員借助Geomagic軟件進行參數(shù)篩選，將處理好的數(shù)據(jù)進行導(dǎo)入，進行三角網(wǎng)模型的構(gòu)建，并將其與全站儀測量的數(shù)據(jù)進行對比分析，以評估三維激光掃描測量精準(zhǔn)度。測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度可以成為后續(xù)作業(yè)的關(guān)鍵，借助明確三角網(wǎng)模型，讓高鐵工程施工有精準(zhǔn)的測量參考。因此作業(yè)環(huán)節(jié)，三維激光掃描技術(shù)獲取的測量結(jié)果與全站儀所獲得測量結(jié)果之間誤差上下幅度不超過22mm；（3）中心線提取與斷面輸出，中心線的提取需結(jié)合隧道區(qū)間的模型，并以每間隔2 個環(huán)片為標(biāo)準(zhǔn)，輸出隧道中心線的法線方向上的斷面圖，要求輸出的斷面圖需采取DWG 格式。結(jié)合本項目內(nèi)容，在實踐過程中，對起點里程DK497+645 ～DK531+850 的平面坐標(biāo)進行計算，后續(xù)進行輸出。需要通過軟件將車行軌跡準(zhǔn)確快速的提取出來,并進行編輯和修正；（4）測量半徑，利用CAD 軟件輸出三維模型，并以斷面圖的中心點位為基點，從正上、正右、正左、左45°、由45°這5個方向進行半徑的測量。

3.3 測量軌道與線路

測量高鐵與軌道線路是保障高鐵安全、平穩(wěn)運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在傳統(tǒng)軌道過程中，所使用的測量方式往往需停運高鐵列車，之后由專業(yè)人員利用傳統(tǒng)儀器對軌道進行測量，這不僅需消耗大量的人力、物理與時間，還極易導(dǎo)致高鐵運營延誤。而利用三維激光掃描技術(shù)能夠在高鐵正常運行的情況下對軌道線路進行測量，三維激光掃描技術(shù)能夠迅速獲取高鐵軌道的幾何參數(shù)、線路走向與高程等信息。通過三維激光掃描技術(shù)的運用能夠促進軌道線路測量工作高精準(zhǔn)、高效率測量，為高鐵平穩(wěn)運行與軌道維護提供堅實數(shù)據(jù)支撐。在實際測量過程中，三維激光掃描技術(shù)能夠全方位獲取軌道的幾何特征，包括軌道的水平曲線、橫向曲線、垂直曲線等參數(shù)，這些數(shù)據(jù)能夠為軌道安全性評估與維護提供依據(jù)，便于工作人員技術(shù)發(fā)現(xiàn)軌道的變形與幾何偏差等問題。同時，三維激光掃描技術(shù)還能夠獲取線路的點云數(shù)據(jù)，進而建立線路的三維模型，明確線路的走向與站點位置，為高鐵線路規(guī)劃與設(shè)計提供重要參照。

3.4 獲取車站建筑物形態(tài)

高鐵車站是乘客乘坐高鐵出行進出的重要場所，其建筑物形態(tài)與結(jié)構(gòu)對于乘客進出與站內(nèi)空間布局有著重要影響，利用三維激光掃描技術(shù)能夠迅速獲取車站建筑物的三維形態(tài)與結(jié)構(gòu)信息，如扶梯、墻面等，全面捕捉車站建筑物幾何特征，為車站的設(shè)計與規(guī)劃提供詳細的數(shù)據(jù)支撐。在實際運用過程中，為避免對高鐵運營造成影響，可以利用三維激光掃描技術(shù)非接觸這一特點，在車站外部對目標(biāo)物體進行非接觸式掃描與測量，通過快速的數(shù)據(jù)信息采集，可以在短時間內(nèi)獲取車站的三維形態(tài)數(shù)據(jù)。在車站內(nèi)部信息獲取方面，可以利用三維激光掃描技術(shù)對車站內(nèi)部空間進行掃描，虛擬仿真車站人流量，對車站空間內(nèi)部進行詳細分析，革新內(nèi)部空間布局與導(dǎo)向，以為乘客出行帶來便捷。另外，相關(guān)人員也可以利用三維激光掃描技術(shù)動態(tài)化監(jiān)測車站建筑物的結(jié)構(gòu)變化與損傷，探尋車站中存在的潛在安全隱患，以保障車站建筑物的結(jié)構(gòu)安全與穩(wěn)固性。

4 結(jié)語

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)在高鐵工程測量中發(fā)揮了巨大的價值，其所獲取的數(shù)據(jù)信息精準(zhǔn)度較高，對高鐵工程建設(shè)有著重要參考價值。在高鐵工程測量過程中，可以利用三維激光掃描技術(shù)進行采集與處理基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)、測量軌道與線路、獲取車站建筑物形態(tài)等工作，以實現(xiàn)高鐵工程的數(shù)字化建設(shè)，為高鐵安全平穩(wěn)運行提供堅實的保障。