三維激光掃描技術隧道工程測量探討

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摘要:以廣州地鐵十四號線規劃驗收為例，研究了采用三維激光掃描技術開展盾構隧道的工程測量及三維重構的技術方法。首先采用全站儀布設控制，對地鐵站臺及區間隧道進行掃描，獲取高精度激光點云數據;接著采用凹面算法和隨機采樣一致性算法，提取隧道中軸線、橫斷面等隧道工程測量成果;最后基于斷面采用拉伸放樣建模方法，建立了隧道的三維模型。本方法測繪成果豐富，克服了常規測量方法環境適應能力差、效率低的缺點，為隧道工程測量、運營維護提供準確、科學的空間數據。

關鍵詞:隧道測量;三維激光掃描技術;斷面測量;三維重構

地鐵隧道工程測量，常采用全站儀、水準儀等傳統測量方法［1，2］，由于環境差、光線昏暗，嚴重影響了測量效率和精度，且存在安全隱患。相比于激光隧道斷面儀、隧道限界檢測車、攝影測量，三維激光掃描儀能夠適應地鐵環境，且應用面更廣［3］。三維激光掃描技術具有“形測量”特點［4，5］，可在陰暗潮濕的環境下自動掃描，無需人工對中、瞄準、跑尺，可快速獲得以點云形式表達的空間三維面數據。近些年大量實驗證明了激光掃描在地鐵測量的優勢，外業作業自動化，使得地鐵隧道工程測量的效率得到了較大提升［6～9］。本文以廣州地鐵十四號線為例，對三維激光掃描技術在地鐵隧道測量應用中隧道中軸線、橫斷面、三維建模等內容進行研究，并以此為基礎完成了地鐵隧道的規劃驗收測量工作。

1隧道點云數據獲取

地鐵隧道內激光點云數據獲取需要解決絕對坐標引入、測站之間的關聯兩個關鍵技術問題:①絕對坐標引入，涉及隧道內控制測量與激光掃描測量的協同作業方法、點云坐標轉換;②地鐵隧道內部各測站相似性很強，因此點云特征點識別不易，給配準拼接造成困難。本文采用FaroFocus3DX330掃描儀進行掃描試驗。以全站儀布設導線，與激光掃描同步測量平面標靶的位置，球面標靶主要用于測站之間的拼接，不需要測量絕對坐標。從而解決了數據獲取方面的關鍵技術難題。掃描實驗時，地鐵隧道已滿足規劃驗收的條件:整體處于通車前設施安裝調試階段，隧道內已經通電，站臺站廳主體電梯、隔離門、地板等設施已安裝，區間設施安裝基本完畢。

1.1控制測量

地面控制采用靜態觀測布設地面四等GNSS控制點，布設四等水準附合線路與地面高程控制點一同測設。地下平面控制由地面控制點按城市導線方法布設，當導線超長時導線的觀測、平差等按上一級城市導線的相關技術指標執行。地下控制點高程采用光電測距三角高程導線的方式進行傳遞。控制測量精度應滿足規劃驗收測量要求，最弱點相對于起算點，點位中誤差不應大于±5cm，高程中誤差不應大于±2cm［10］。

1.2平面標靶測設掃描

平面標靶能夠精確測量獲取靶心坐標。因此，為了完成點云向大地坐標系的統一，在站臺以及區間，部分測站設置了平面標靶，并用全站儀測量標靶的靶心大地坐標(本文采用廣州2000坐標系和廣州高程系統)。為了使該測站激光點云數據坐標轉換準確，平面標靶應在測站掃描范圍內均勻布置，且標靶個數不少于4個。

1.3球標靶布設掃描

區間掃描主要以球面標靶為測站間公共連接點，球標靶布設應在掃描儀周圍組成多邊形，并與掃描儀之間保持不同的距離，錯落有致，避免形成線性，且要保證公共標靶個數不少于3個［11］。設置掃描參數時，應確保滿足測站拼接配準要求:球體目標表面至少要有60個掃描點。在超過到掃描儀的特定距離時，球體目標自動檢測會變得不可靠，如圖1所示，本次試驗使用直徑為145mm的球體時，到掃描儀的距離不應超過18m。圖1球標靶布設和掃描現場作業Fig.1Balltargetlayoutandscanningoperation

1.4掃描儀架站掃描

在鐵軌中央架設掃描儀，設置分辨率為1/4，進行掃描作業。在單站掃描完成后，將掃描儀遷至下一站，兩站距離控制在30m以內，以保持較好的數據重疊度，且需保持球體到掃描儀的距離不應超過18m。廣州地鐵14號線區間(從康大站至鎮龍北站)總長度2.0km，上行隧道掃描用時5h，下行隧道掃描4h，共掃描152個站次。

2測站配準拼接

測站拼接處理采用剛性坐標變換，將多個測站點云拼接在一起。本次數據獲取時，引入了球面標靶作為連接點，解決了地鐵隧道內地物相似性高、人工難以選擇同名點進行拼接的問題。利用FaroScene軟件進行配準拼接，將所有原始數據(后綴為*．fls文件)批量導入。拼接采用兩種模式:兩兩測站同名點匹配、自動群集注冊。

2.1兩測站同名點匹配

(1)各測站依次進行球體目標的自動檢測和擬合，并用相應顏色來表示球體的擬合質量(綠色:質量好;黃色:質量欠佳;紅色:質量很差);在測站球體檢測完成后，依次進行兩兩測站球體目標的自動檢索匹配，對應的匹配對象用“綠C”標簽標記對應球體。如圖2所示，標簽內部顏色區別不同的對應，標簽外框顏色表示匹配的質量。圖2(b)右下角的區域顯示已找到對應的數量，并用交通信號燈來表明球體目標的匹配質量(2)若匹配標靶的數量小于4，則需人工尋找并標記兩幅掃描中的同名點標靶并強制對應，被強制對應的標靶球的標簽將變為“藍C”。當匹配數量滿足4對后，即可完成兩測站匹配;(3)對每一組相鄰測站做上述處理，以完成所有鄰站數據配準。

2.2測站群集注冊

本次實驗在同一地鐵隧道連續執行的掃描，將所有測站按下列步驟執行群集注冊:(1)確定參考掃描:使用全站儀所測量的控制點作為外部參考進行注冊;(2)布置掃描;選中掃描的上級群集文件夾，執行布置掃描命令，進行該群集的配準工作;(3)查看注冊質量:通過掃描管理器ScanManager圖標的信號燈顏色來查看配準結果的總體質量。通過掃描管理器單獨查看每個擬合對象的質量。選中群集文件夾，查看以測站著色的對應三維視圖模式下的群集配準可視化結果(見圖3)。

3中軸線與橫斷面測量

隧道中軸線和橫斷面是地鐵隧道工程測量的基礎成果［3，11］。中軸線在隧道中是理論存在的線，無法觀察并測量，橫斷面每面需測量的點較多，傳統全站儀測量工作繁重。激光點云是解決該問題、提高效率的較好的方法。本文采用凹面法(ConcaveHull)、隨機采樣一致性(RANSAC)算法相結合，解決了特征提取和斷面擬合的關鍵技術問題，實現了在點云中提取地鐵隧道中軸線，并擬合橫斷面圖制作地鐵規劃驗收平面位置關系圖。

3.1中軸線提取算法

(1)將原始隧道點云分別向笛卡爾坐標XOY平面投影，得到投影點云;(2)采用凹面法計算投影點云的邊界;(3)采用隨機采樣一致性算法從整體邊界中分割出隧道投影點云的左右邊界;(4)利用左右邊界，求解該投影面上的中線;(5)根據中線方程，作出平行于Z軸且經過中線的平面;(6)指定另一坐標面，重復步驟(1)～(5)可得到另一平面，兩平面相交的線段即為隧道中軸線。

3.2斷面提取方法

(1)利用激光掃描點云重建隧道結構的中軸線，一般為10～15m掃描范圍內(見圖4);(2)垂直于結構中軸線，提取1～2cm厚度的斷面，并投影至統一的平面(見圖5);采用20cm厚點云數據，為了提高擬合精度，剔除掉軌道等除隧道管片外的點云數據。按照標準直徑5.4m，擬合得到圓心坐標。

4三維建模

獲取隧道點云橫斷面、中軸線后，在AutoCAD中建立地鐵隧道的三維模型。首先基于橫斷面圖(含隧道斷面、鐵軌等帶著地物的斷面)沿著中軸線進行帶著地物的掃掠建模，構建隧道的主體模型、鐵軌模型(見圖6);接著，利用拉伸、放樣等交互式建模方法，建立隧道的各類構件模型;最后，導入到3DMax中進行渲染和漫游展示。

5結論

本文結合實際工程案例，研究了地鐵隧道高精度的激光點云數據獲取、點云特征提取和擬合方法，準確提取了中軸線，并進行了斷面測量及三維建模。中軸線圖、斷面圖等圖紙成果作為規劃驗收測量的成果得到實際應用。基于本文獲取的高精度激光點云數據，還可以在地鐵隧道斷面收斂分析、滲水、裂縫識別等方面開展進一步的研究［12～14］。本文將激光掃描技術應用于地鐵隧道工程測量，驗證了架站式激光掃描在地鐵工程應用中的精細化、自動化的特點，降低了作業強度，提高了作業效率，豐富了測繪成果，該方法具有可行性和準確性。

作者：甘立彬 單位：廣州市城市規劃勘測設計研究院