三维激光扫描技术隧道工程测量探讨

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摘要:以广州地铁十四号线规划验收为例，研究了采用三维激光扫描技术开展盾构隧道的工程测量及三维重构的技术方法。首先采用全站仪布设控制，对地铁站台及区间隧道进行扫描，获取高精度激光点云数据;接着采用凹面算法和随机采样一致性算法，提取隧道中轴线、横断面等隧道工程测量成果;最后基于断面采用拉伸放样建模方法，建立了隧道的三维模型。本方法测绘成果丰富，克服了常规测量方法环境适应能力差、效率低的缺点，为隧道工程测量、运营维护提供准确、科学的空间数据。

关键词:隧道测量;三维激光扫描技术;断面测量;三维重构

地铁隧道工程测量，常采用全站仪、水准仪等传统测量方法［1，2］，由于环境差、光线昏暗，严重影响了测量效率和精度，且存在安全隐患。相比于激光隧道断面仪、隧道限界检测车、摄影测量，三维激光扫描仪能够适应地铁环境，且应用面更广［3］。三维激光扫描技术具有“形测量”特点［4，5］，可在阴暗潮湿的环境下自动扫描，无需人工对中、瞄准、跑尺，可快速获得以点云形式表达的空间三维面数据。近些年大量实验证明了激光扫描在地铁测量的优势，外业作业自动化，使得地铁隧道工程测量的效率得到了较大提升［6～9］。本文以广州地铁十四号线为例，对三维激光扫描技术在地铁隧道测量应用中隧道中轴线、横断面、三维建模等内容进行研究，并以此为基础完成了地铁隧道的规划验收测量工作。

1隧道点云数据获取

地铁隧道内激光点云数据获取需要解决绝对坐标引入、测站之间的关联两个关键技术问题:①绝对坐标引入，涉及隧道内控制测量与激光扫描测量的协同作业方法、点云坐标转换;②地铁隧道内部各测站相似性很强，因此点云特征点识别不易，给配准拼接造成困难。本文采用FaroFocus3DX330扫描仪进行扫描试验。以全站仪布设导线，与激光扫描同步测量平面标靶的位置，球面标靶主要用于测站之间的拼接，不需要测量绝对坐标。从而解决了数据获取方面的关键技术难题。扫描实验时，地铁隧道已满足规划验收的条件:整体处于通车前设施安装调试阶段，隧道内已经通电，站台站厅主体电梯、隔离门、地板等设施已安装，区间设施安装基本完毕。

1.1控制测量

地面控制采用静态观测布设地面四等GNSS控制点，布设四等水准附合线路与地面高程控制点一同测设。地下平面控制由地面控制点按城市导线方法布设，当导线超长时导线的观测、平差等按上一级城市导线的相关技术指标执行。地下控制点高程采用光电测距三角高程导线的方式进行传递。控制测量精度应满足规划验收测量要求，最弱点相对于起算点，点位中误差不应大于±5cm，高程中误差不应大于±2cm［10］。

1.2平面标靶测设扫描

平面标靶能够精确测量获取靶心坐标。因此，为了完成点云向大地坐标系的统一，在站台以及区间，部分测站设置了平面标靶，并用全站仪测量标靶的靶心大地坐标(本文采用广州2000坐标系和广州高程系统)。为了使该测站激光点云数据坐标转换准确，平面标靶应在测站扫描范围内均匀布置，且标靶个数不少于4个。

1.3球标靶布设扫描

区间扫描主要以球面标靶为测站间公共连接点，球标靶布设应在扫描仪周围组成多边形，并与扫描仪之间保持不同的距离，错落有致，避免形成线性，且要保证公共标靶个数不少于3个［11］。设置扫描参数时，应确保满足测站拼接配准要求:球体目标表面至少要有60个扫描点。在超过到扫描仪的特定距离时，球体目标自动检测会变得不可靠，如图1所示，本次试验使用直径为145mm的球体时，到扫描仪的距离不应超过18m。图1球标靶布设和扫描现场作业Fig.1Balltargetlayoutandscanningoperation

1.4扫描仪架站扫描

在铁轨中央架设扫描仪，设置分辨率为1/4，进行扫描作业。在单站扫描完成后，将扫描仪迁至下一站，两站距离控制在30m以内，以保持较好的数据重叠度，且需保持球体到扫描仪的距离不应超过18m。广州地铁14号线区间(从康大站至镇龙北站)总长度2.0km，上行隧道扫描用时5h，下行隧道扫描4h，共扫描152个站次。

2测站配准拼接

测站拼接处理采用刚性坐标变换，将多个测站点云拼接在一起。本次数据获取时，引入了球面标靶作为连接点，解决了地铁隧道内地物相似性高、人工难以选择同名点进行拼接的问题。利用FaroScene软件进行配准拼接，将所有原始数据(后缀为*．fls文件)批量导入。拼接采用两种模式:两两测站同名点匹配、自动群集注册。

2.1两测站同名点匹配

(1)各测站依次进行球体目标的自动检测和拟合，并用相应颜色来表示球体的拟合质量(绿色:质量好;黄色:质量欠佳;红色:质量很差);在测站球体检测完成后，依次进行两两测站球体目标的自动检索匹配，对应的匹配对象用“绿C”标签标记对应球体。如图2所示，标签内部颜色区别不同的对应，标签外框颜色表示匹配的质量。图2(b)右下角的区域显示已找到对应的数量，并用交通信号灯来表明球体目标的匹配质量(2)若匹配标靶的数量小于4，则需人工寻找并标记两幅扫描中的同名点标靶并强制对应，被强制对应的标靶球的标签将变为“蓝C”。当匹配数量满足4对后，即可完成两测站匹配;(3)对每一组相邻测站做上述处理，以完成所有邻站数据配准。

2.2测站群集注册

本次实验在同一地铁隧道连续执行的扫描，将所有测站按下列步骤执行群集注册:(1)确定参考扫描:使用全站仪所测量的控制点作为外部参考进行注册;(2)布置扫描;选中扫描的上级群集文件夹，执行布置扫描命令，进行该群集的配准工作;(3)查看注册质量:通过扫描管理器ScanManager图标的信号灯颜色来查看配准结果的总体质量。通过扫描管理器单独查看每个拟合对象的质量。选中群集文件夹，查看以测站着色的对应三维视图模式下的群集配准可视化结果(见图3)。

3中轴线与横断面测量

隧道中轴线和横断面是地铁隧道工程测量的基础成果［3，11］。中轴线在隧道中是理论存在的线，无法观察并测量，横断面每面需测量的点较多，传统全站仪测量工作繁重。激光点云是解决该问题、提高效率的较好的方法。本文采用凹面法(ConcaveHull)、随机采样一致性(RANSAC)算法相结合，解决了特征提取和断面拟合的关键技术问题，实现了在点云中提取地铁隧道中轴线，并拟合横断面图制作地铁规划验收平面位置关系图。

3.1中轴线提取算法

(1)将原始隧道点云分别向笛卡尔坐标XOY平面投影，得到投影点云;(2)采用凹面法计算投影点云的边界;(3)采用随机采样一致性算法从整体边界中分割出隧道投影点云的左右边界;(4)利用左右边界，求解该投影面上的中线;(5)根据中线方程，作出平行于Z轴且经过中线的平面;(6)指定另一坐标面，重复步骤(1)～(5)可得到另一平面，两平面相交的线段即为隧道中轴线。

3.2断面提取方法

(1)利用激光扫描点云重建隧道结构的中轴线，一般为10～15m扫描范围内(见图4);(2)垂直于结构中轴线，提取1～2cm厚度的断面，并投影至统一的平面(见图5);采用20cm厚点云数据，为了提高拟合精度，剔除掉轨道等除隧道管片外的点云数据。按照标准直径5.4m，拟合得到圆心坐标。

4三维建模

获取隧道点云横断面、中轴线后，在AutoCAD中建立地铁隧道的三维模型。首先基于横断面图(含隧道断面、铁轨等带着地物的断面)沿着中轴线进行带着地物的扫掠建模，构建隧道的主体模型、铁轨模型(见图6);接着，利用拉伸、放样等交互式建模方法，建立隧道的各类构件模型;最后，导入到3DMax中进行渲染和漫游展示。

5结论

本文结合实际工程案例，研究了地铁隧道高精度的激光点云数据获取、点云特征提取和拟合方法，准确提取了中轴线，并进行了断面测量及三维建模。中轴线图、断面图等图纸成果作为规划验收测量的成果得到实际应用。基于本文获取的高精度激光点云数据，还可以在地铁隧道断面收敛分析、渗水、裂缝识别等方面开展进一步的研究［12～14］。本文将激光扫描技术应用于地铁隧道工程测量，验证了架站式激光扫描在地铁工程应用中的精细化、自动化的特点，降低了作业强度，提高了作业效率，丰富了测绘成果，该方法具有可行性和准确性。

作者：甘立彬 单位：广州市城市规划勘测设计研究院