三维激光扫描技术在地铁隧道形变监测的应用研究

的应用研究

摘要：三维激光扫描技术可以实现无接触测量，可以适应复杂施工环境下的测量作业，测量精度高，更适应地铁工程的地下作业环境。地铁隧道正上方堆放大量渣土导致还未运营的线路结构产生严重形变，全站仪测量方式很难准确测绘出形变大小。提出应用三维激光扫描技术，应对隧道受损区域的检测和修复工作。首先，阐述了应用快速绝对定位方式进行点云数据采集，其次利用自行开发的隧道点云数据处理软件，进行了隧道断面切割和收敛分析；最后分析了三维激光扫描仪对比全站仪进行隧道形变检测的特点和优势，论证了三维激光扫描技术应用在地铁隧道结构形变检测的可行性。

关键词：三维激光扫描；隧道；形变检测；收敛分析 中图分类号：P258 文献标识码：A 引言

随着激光技术的不断发展，三维激光扫描技术的测量精度不断提高，其在变形监测、工程测量、交通现场勘测、桥梁变形监测、古建筑和文物保护、数字城市等领域的应用不断扩大。尤其在高精度变形监测领域，三维激光扫描技术可以对被扫描物体进行全方位数据采集，从而进行整体监测，有效弥补了传统变形监测手段的片面性和局限性。对获取的点云数据进行恰当的处理分析是三维激光扫描技术应用于变形监测的关键步骤，其中切片的提取、不同测站间切片的配准尤为重要。

1 三维激光扫描技术的原理

三维激光扫描技术（3D Laser Scanning Technol-ogy）是测绘领域一种高精度、立体化、自动化扫描技术，可以高效、准确获取物体表面连续、全面、关

联的以及密集的坐标数据信息以及影像信息，是继GPS技术后出现的一种新型测绘手段。以激光作为介质，通过计算输出激光的反射时间测算单点距离，通过根据激光反射的特定获取被测物体的其他相关信息，同时通过进行多点测量可以获取不同点位的坐标信息、反射率信息等，可以在短时间内获取到被测量物体比较全面的信息，在此基础上构建立体化三维模型。相较于全站仪或者GPS等技术手段，三维激光扫描技术在数据采集效率方面具有明显优势，而且可以实现多点测量，这样就可以形成一个基于三维数据点的离散三维模型数据场，有效弥补了传统测量手段的片面性以及局限性。

2 三维激光扫描技术及隧道应用难点

三维激光扫描技术又被称为实景复制技术。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，它通过高速激光扫描测量的方法，大面积、高分辨率的快速获取被测对象表面的三维坐标数据。可以快速、大量的采集空间点位信息，为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。应用三维激光扫描技术进行隧道工程扫描和处理工作，面临着以下三方面难点：（1）隧道内整体特征点不明显，不利于多测站拼接工作；（2）隧道为狭长形结构，受扫描入射角的限制，为了得到高精度点云数据，每个测站扫描范围不宜过大；（3）市场上隧道点云专用处理软件很少，价格昂贵。

3 三维激光扫描技术在地铁隧道形变监测的应用 3.1 基础数据采集

首先需要设置扫描参数，参考同类工程测量作业经验，同时结合本项目实际情况，在项目中采用中等质量与速度开展测量作业，质量设定为4X，分辨率设定为1/5，每个测站测量时间控制在6min35s左右。其次是标靶球摆放以及仪器设站，考虑到LeicaP40三维激光扫描仪的有效测量范围，为确保采集数据的准确性，相邻测站间隔控制在30m左右。在本项目中，该隧道区间共设置6站，两端则摆放数量不等的标靶球，主要用来分辨测量范围。相邻测站之间需要摆放超过3个标靶球，需要注意的是，标靶球不能处于同一平面，否则会影响测量精度。

3.2 点云数据的处理

点云数据预处理主要包括点云去噪、抽稀等，该项工作相对简单，可以利用常见的点云数据处理软件进行处理。项目团队自行研发了隧道点云数据软件，重点解决了以下问题。（1）点云数据坐标统一。因为点云数据采集过程中采用了“APM定位法”，每个测站均得到了3个点在相对坐标和绝对坐标两套坐标系下的三维坐标，所以可以求取两套坐标系的转换参数。通过将每个测站的原始点云坐标分别旋转和平移，最终得到整个区域一致的施工坐标系下的点云数据。（2）设计数据导入与里程标定。点云数据统一转换为施工坐标系后，能够与设计数据进行套合。软件支持设计数据（平曲线、纵曲线和断面图）的导入功能。设计数据导入后，经过软件的标定，点云数据具有了里程信息，以便进行点云截取与任意里程断面切割。

3.3 数据分析

选用LeicaP40三维激光扫描仪所获取的数据信息经过处理分析，比较全面地反映了该隧道区间的空间信息，尤其是在隧道变形监测方面具有重要作用。根据本项目中采集的数据信息以及数据处理结果分析，中轴线与工程设计轴线的误差最小为2mm，最大为7.5mm，均符合地铁工程施工标准；不同环半径和工程设计半径相比，最小误差为0.3mm，最大为4mm，均符合地铁工程建设标准；管片拼装误差最小为22.5mm，最大为26.3mm，管片拼装标准要求直径偏差不超过±6‰D，在项目中允许最大偏差为27.0mm，因此也符合要求。

3.4 测量结果分析

经过外业扫描以及数据预处理后，以隧道轴线方向为X轴构建坐标系，在轴线正交方向按照每间隔1m截取点云切片，切片拟合后提取圆心坐标、半径。通过提取的隧道圆心坐标以及半径信息，可以确定隧道提取的半径、中轴线和设计半径与中轴线的差异。根据测量结果显示，提取的中轴线和设计中轴线最小误差为2mm，最大误差为23mm；提取的半径与设计半径的最小误差为0.3mm，最大误差为4.0mm，均符合地铁建设规范。根据隧道的收敛量标准，分别选择0°、90°、180°、270°方向上进行样条曲线拟合分析，结果显示在0°方向上管片

半径值为2.4766m、在90°方向上管片半径值为2.575m、在180°方向上管片半径值为2.773m、在270°方向上管片半径值为2.796m；纵向平均半径值为2.7481m，经拟合分析后，在0°、90°、180°、270°方向上的收敛半径存在明显差异，横向平均半径大于纵向平均半径，并且和圆曲线拟合半径的偏差方向基本一致。

4 结束语

综上所述，三维激光扫描技术在地铁工程测量作业方面具有明显优势，不仅能够适应复杂作业环境，而且测量数据精度高，测量作业效率高，能够快速构建三维数据模型，这对地铁工程施工活动具有重要参考价值。相较传统的测量手段，三维激光扫描技术更加符合现代工程设计施工领域测量作业的要求，尤其是大型工程设施以及环境条件较为复杂的工程。

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