王文旭，蔡敏，王文江

(天津市測(cè)繪院，天津 300381)

三維激光掃描技術(shù)在地鐵調(diào)線調(diào)坡測(cè)量中的應(yīng)用

王文旭?，蔡敏，王文江

(天津市測(cè)繪院，天津 300381)

主要對(duì)三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于地鐵調(diào)線調(diào)坡的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，探討了基于此技術(shù)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取的流程和斷面數(shù)據(jù)提取的方法，以天津地鐵三號(hào)線的一段區(qū)間調(diào)線調(diào)坡測(cè)量為例，同時(shí)使用三維激光掃描技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行調(diào)線調(diào)坡測(cè)量，并對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比；結(jié)果表明，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于地鐵調(diào)線調(diào)坡測(cè)量方法具有作業(yè)效率高、可靠性大、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以應(yīng)用于地鐵調(diào)線調(diào)坡測(cè)量。

三維激光掃描；調(diào)線調(diào)坡；點(diǎn)云

1 引 言

三維激光掃描技術(shù)是一門(mén)新興的測(cè)繪技術(shù)，能快速獲得原始的測(cè)繪數(shù)據(jù)，并完整高精度地重建實(shí)體[1]。具有非接觸、精度高、速度快等特點(diǎn)，能大幅節(jié)約時(shí)間與成本，有效解決數(shù)字化信息采集的難題。這些優(yōu)勢(shì)使其在虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)字城市、三維傳真、文物保護(hù)、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，是目前國(guó)內(nèi)外測(cè)繪領(lǐng)域研究關(guān)注的熱點(diǎn)之一[2，3]。

調(diào)線調(diào)坡是地鐵設(shè)計(jì)施工過(guò)程中的一項(xiàng)非常重要的工作，是對(duì)地鐵施工中特別是隧道盾構(gòu)后所產(chǎn)生的線路偏移等誤差進(jìn)行線路平、縱斷面的調(diào)整，以消除誤差達(dá)到合理的設(shè)計(jì)要求，滿足各種設(shè)備和車(chē)輛運(yùn)行的限界要求。在對(duì)地鐵進(jìn)行調(diào)線調(diào)坡測(cè)量時(shí)，采用常規(guī)測(cè)量方法獲取地鐵站點(diǎn)和隧道內(nèi)的斷面數(shù)據(jù)效率不高，且測(cè)量數(shù)據(jù)不可重復(fù)利用。鑒于此，本文討論了采用三維激光掃描技術(shù)來(lái)進(jìn)行地鐵調(diào)線調(diào)坡的測(cè)量工作，替代常規(guī)測(cè)量方法的關(guān)鍵技術(shù)，并進(jìn)行了一段隧道的掃描工作，取得了滿意的結(jié)果。

2 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描儀通過(guò)發(fā)射和接收的激光束測(cè)量物體，并利用激光束中心點(diǎn)來(lái)定位，計(jì)算出每個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。大量的點(diǎn)形成三維點(diǎn)云，并帶有強(qiáng)度信息和目標(biāo)物體的反射率信息。通過(guò)三維激光掃描直接將各種大型的、復(fù)雜的、不規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)等實(shí)體或?qū)嵕暗娜S數(shù)據(jù)完整地采集到電腦中，經(jīng)過(guò)建模，構(gòu)建出目標(biāo)的三維實(shí)體模型。三維激光掃描點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算原理如圖1所示。

圖1 掃描點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算原理

目標(biāo)點(diǎn)P的坐標(biāo)可采用式(1)進(jìn)行計(jì)算:

其中S為目標(biāo)點(diǎn)P與掃描儀距離，精密時(shí)鐘控制編碼器同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值α和縱向掃描角度觀測(cè)值β。

3 三維激光掃描地鐵調(diào)線調(diào)坡測(cè)量流程

三維激光掃描的數(shù)據(jù)采集及處理主要可以分為數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、模型數(shù)據(jù)后處理三個(gè)階段[4]。

數(shù)據(jù)采集的流程如圖2所示，控制測(cè)量可以利用經(jīng)檢測(cè)合格的施工平面高程控制點(diǎn)作為掃描用控制點(diǎn)，在控制點(diǎn)較少的地方應(yīng)進(jìn)行加密控制測(cè)量。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理和多視點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)兩步。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是對(duì)原始數(shù)據(jù)需要進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和減少點(diǎn)云表面噪聲并且縮減數(shù)據(jù)量。多視點(diǎn)云配準(zhǔn)是將兩個(gè)或兩個(gè)以上基于掃描儀坐標(biāo)系中的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、統(tǒng)一到相同坐標(biāo)系下的過(guò)程(如圖3所示)。在完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)后檢查點(diǎn)云，如發(fā)現(xiàn)點(diǎn)云中存在由于掃描死角而產(chǎn)生的漏掃，則需進(jìn)行外業(yè)補(bǔ)充掃描。三維模型建立及編輯基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)之上，目前主要依靠人工交互式建模，自動(dòng)化程度不高。

圖2 激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集與處理流程圖

圖3 某地鐵隧道多視點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)至同一坐標(biāo)系

在獲得了目標(biāo)的全部點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，對(duì)點(diǎn)云濾波、拼接和配準(zhǔn)，完畢后根據(jù)點(diǎn)云建模(如圖4所示)，地鐵調(diào)線調(diào)坡所要求的相關(guān)斷面數(shù)據(jù)則可在模型上或者直接利用點(diǎn)云提取。

圖4 根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型建立與編輯

地鐵隧道施工由于施工誤差的原因，造成施工結(jié)果與設(shè)計(jì)不符，如果按照原設(shè)計(jì)平、縱斷面可能滿足不了建筑限界要求，這就需要做調(diào)線調(diào)坡工作。調(diào)線調(diào)坡測(cè)量包括線路中線的放樣及結(jié)構(gòu)底、頂板的高程測(cè)量以及橫斷面測(cè)量。在此之前，還必須進(jìn)行地下精密導(dǎo)線、水準(zhǔn)測(cè)量，以建立控制網(wǎng)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行中線放樣、水準(zhǔn)測(cè)量和橫斷面測(cè)量。

橫斷面一般根據(jù)設(shè)備和車(chē)輛運(yùn)行的要求選擇一些測(cè)點(diǎn)，這些測(cè)點(diǎn)應(yīng)是設(shè)備安裝的最不利位置。以天津地鐵圓形隧道為例:選擇底，頂，距底板面1.0 m、2.5 m、4.5 m處為測(cè)點(diǎn)。通過(guò)這些點(diǎn)可以將隧道輪廓勾繪出。隧道斷面如圖5所示，圖中Hd、Ht為底板和頂板高程，A1、A2、A3為線路中心至隧道左側(cè)橫距，B1、B2、B3為線路中心至隧道右側(cè)橫距。

圖5 隧道橫截面測(cè)量點(diǎn)位

橫斷面測(cè)量間距應(yīng)根據(jù)隧道形狀、線路是直線還是曲線等因素決定。在實(shí)際工作中每12 m測(cè)量1個(gè)橫斷面，也可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和設(shè)計(jì)方的要求進(jìn)行加密或放寬。當(dāng)測(cè)量所提供的斷面數(shù)據(jù)密度不夠時(shí)，就需要進(jìn)行斷面加密測(cè)量，如果采用傳統(tǒng)的測(cè)量方式，則需要再次進(jìn)行外業(yè)測(cè)繪工作，這樣增加了很多的額外工作量和人員成本，但是采用三維激光掃描測(cè)量技術(shù)則可以避免這一類的問(wèn)題。三維激光掃描技術(shù)可以一次性獲得目標(biāo)表面的高密度數(shù)據(jù)，因此在進(jìn)行斷面加密時(shí)可不需要再次額外進(jìn)行外業(yè)測(cè)量工作，所需斷面數(shù)據(jù)可以從點(diǎn)云和模型中提取，可以避免多余的工作量投入。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為判斷利用三維激光掃描儀進(jìn)行地鐵調(diào)線調(diào)坡測(cè)量的精度和可靠性，我們選取了天津地鐵三號(hào)線的一段隧道進(jìn)行對(duì)比測(cè)量實(shí)驗(yàn)，該段試驗(yàn)段全長(zhǎng)約420m，采用全站儀加水準(zhǔn)測(cè)量與三維激光掃描儀掃描同步進(jìn)行的測(cè)量方式，共測(cè)量23個(gè)斷面，獲取167組對(duì)比數(shù)據(jù)。

點(diǎn)云配準(zhǔn)(拼接)誤差 表1

掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)后，其控制靶標(biāo)和拼接靶標(biāo)的配準(zhǔn)精度如表1所示，參考《城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范》GB50308-2008中對(duì)精密導(dǎo)線測(cè)量的主要技術(shù)要求:相鄰點(diǎn)的相對(duì)點(diǎn)位中誤差限差為σ=±8 mm，則靶標(biāo)的拼接和配準(zhǔn)誤差均在2σ以內(nèi)。

隧道模型半徑 表2

利用斷面中線樁兩側(cè)各一定范圍掃描的點(diǎn)云進(jìn)行隧道建模后，得到的隧道半徑如表2所示，隧道管片制造的內(nèi)半徑為2.75 m，從表中可看出絕大多數(shù)模型的半徑與設(shè)計(jì)差值都在毫米級(jí)，只有23號(hào)斷面因?yàn)樘幱谒淼赖某龆刺?，所以模型半徑差達(dá)到了1.2 cm。這說(shuō)明點(diǎn)云的內(nèi)符合精度很高，能夠達(dá)到調(diào)線調(diào)坡測(cè)量的技術(shù)要求。

圖6 兩種測(cè)量結(jié)果較差分布統(tǒng)計(jì)直方圖

對(duì)全站儀測(cè)量結(jié)果與掃描測(cè)量結(jié)果的差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出，線路中線到邊墻距離的差值均值為-4.9 mm，隧道底部和頂部的差值均值為2.2 mm，綜合兩項(xiàng)均值為-3.1 mm。根據(jù)《城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范》GB50308-2008中對(duì)結(jié)構(gòu)斷面測(cè)量的主要技術(shù)要求:斷面點(diǎn)與線路中線法距測(cè)量中誤差限差和地板高程測(cè)量中誤差限差為σ=±10 mm，以2σ為差值限差，則樣本可信度為88.6%。綜上所述，經(jīng)過(guò)初步的驗(yàn)證，認(rèn)為三維激光掃描技術(shù)和方法用于地鐵的調(diào)線調(diào)坡測(cè)量是可行的。

5 結(jié) 論

綜上所述，通過(guò)將激光掃描技術(shù)在天津地鐵三號(hào)線的一段區(qū)間的調(diào)線調(diào)坡測(cè)量的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于地鐵調(diào)線調(diào)坡測(cè)量具有作業(yè)效率高、可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)，可以用于地鐵的調(diào)線調(diào)坡測(cè)量。但是在以后的生產(chǎn)中還有一些其他方面的技術(shù)有待開(kāi)發(fā)和提高，如斷面數(shù)據(jù)自動(dòng)提取的算法和程序的實(shí)現(xiàn)，點(diǎn)云自動(dòng)配準(zhǔn)的算法和程序?qū)崿F(xiàn)等。

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The Application of 3D Laser Scanning Technology in Subway Route Ad justment of Alignment and Gradient M easurement

Wang Wenxu，CaiMin，Wang Wenjiang
(Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 300381，China)

The papermainly studied on the key technology of3D laser scanning technology applied in subway adjustment of route alignment and gradient，investigated the acquisition process of point cloud data and extraction method for cross-section data based on this technology，for the sample of route adjustment of alignment and gradientmeasurement in a range of Tianjin subway line 3，used both 3D laser scanning technology and traditional techniques，and compared the measured data；The results showed that themethod using 3D laser scanning technology applied in subway route adjustment of alignmentand gradientmeasurement iswith characteristics of high efficiency，reliability，practicality and it can be used in subway route adjustment of alignment and gradientmeasurement.

3D laser scanning；Adjustment of route alignment and gradient；Point cloud

1672-8262(2013)02-96-04

P234.4

B

2012—07—11

王文旭(1975—)，男，高級(jí)工程師，主要從事精密工程測(cè)量和測(cè)繪技術(shù)管理工作。