楊建勇

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600）

在城市軌道交通工程中，為了順利開展線路中線調(diào)整及軌道鋪設(shè)工作，工作人員應當在土建結(jié)構(gòu)施工結(jié)束以后，根據(jù)實際情況對車站、隧道區(qū)間、高架橋的底板縱斷面和結(jié)構(gòu)斷面等進行斷面測量。完成線路中線調(diào)整工作以后，還要以調(diào)整后的中線成果為基礎(chǔ)重新計算，以保證軌道建成后車輛營運界限符合要求[1]。在結(jié)構(gòu)斷面測量過程中，要以施工控制點和至少兩站一區(qū)間貫通測量后的精密導線點為主要依據(jù)，依照《城市軌道交通工程測量規(guī)范》要求完成測量工作，對于結(jié)構(gòu)異常、施工偏差大的斷面處，工作人員應當根據(jù)實際情況進行復測。傳統(tǒng)的城市軌道交通斷面測量方法以斷面儀法、全站儀極坐標法、攝影測量法為主，這些測量方法在實際應用中能夠測量的斷面數(shù)量十分有限，因此許多測量結(jié)果不能反映隧道結(jié)構(gòu)的全貌[2]。本文以城市軌道交通隧道工程為例，運用三維激光掃描技術(shù)，對三維激光掃描技術(shù)在軌道交通工程結(jié)構(gòu)斷面測量的技術(shù)使用方法以及可行性進行深入探究。

1 準備工作

1.1 儀器設(shè)備

隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)在測繪技術(shù)行業(yè)的應用越來越廣泛。RIEGL VZ-1000地面三維激光掃描儀，可以在1 s之內(nèi)發(fā)射纖細激光束30萬點，采集點位密度相對較大，數(shù)據(jù)信息豐富，可以把現(xiàn)實環(huán)境真實反映出來；角分辨率可以高達0.000 5°，測量準確度較高，在對表面復雜的物體進行測量時，也可以實現(xiàn)精細化測量；測量速度較快，可以縮短測量時長，節(jié)省投入資金成本；三維激光掃描技術(shù)抗干擾性能較好，即使是夜間也不會對測量結(jié)果造成影響。把三維激光掃描技術(shù)與云臺設(shè)備有效結(jié)合在一起，不僅可以實現(xiàn)360°全圓掃描隧道，還可以使得所獲得的點云數(shù)據(jù)變得更加具有全面性，如圖1所示。

圖1 三維激光掃描技術(shù)圖

1.2 控制網(wǎng)的測試

在點云數(shù)據(jù)采集前，還應做好控制網(wǎng)的測試，即平面控制網(wǎng)的測試和高程控制網(wǎng)的測試。在控制網(wǎng)測試過程中，應根據(jù)城市軌道交通工程的情況，合理地設(shè)置測量單元，一般情況下，以兩站一區(qū)間為一個測量單元。對平面控制點和高程控制點進行合理布設(shè)，將其設(shè)置在隧道區(qū)間兩端車站地板上，通過聯(lián)系測量，獲得平面控制點對應的平面坐標以及高程控制點對應的高程值并作為起算點[3]。

在隧道內(nèi)進行控制點的布設(shè)，兩個控制點之間相隔100 m，既可以作為平面控制點來使用，也可以作為高程控制點使用。在平面控制網(wǎng)測試過程中，可以選擇導線測量與LeicaTS50測量機器人結(jié)合使用，對平面控制網(wǎng)進行測量和觀測。在高程控制測試過程中，主要進行二等水準觀測，可以選擇TrimbleDi-Ni03電子水準儀來開展。完成平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)的測量后，可以采用COSA平差軟件，對其進行統(tǒng)一的平差處理，進而可以獲取準確的三維坐標值[4]。

2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集及方案設(shè)計

2.1 方案設(shè)計

結(jié)合城市軌道交通工程隧道的特征，在利用三維激光掃描設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集時，工作人員要把已知的精密導線點作為起算點，使用測站+后視的設(shè)站模式完成此項工作。工作人員應當在精密導線點上設(shè)站，測站點應保證是在隧道的中心位置，而且不受遮擋，保證每一測站都能夠獲得最大的掃描范圍，對于獲得的點云數(shù)據(jù)，應保證分布均勻。然后對中整平后輸入后視高、儀高、后視點以及設(shè)站點等信息，再設(shè)置掃描參數(shù)，對于掃描參數(shù)的設(shè)置，可以采用全景掃描的方式，這樣可以獲得更加全面的點云數(shù)據(jù)。對于掃描分辨率的設(shè)置，要兼顧測量精度和效率[5]。在另一處精密導線點上架設(shè)標靶，對于標靶的布設(shè)，應掌握好與測站之間的距離，通常情況下，直線段控制在40 m～50 m范圍較為適宜，曲線段控制在30 m～ 40 m范圍較為適宜，可以在具體測量中隨時調(diào)整。完成上述工作，方可開始隧道掃描工作。工作人員需要結(jié)合現(xiàn)場實際情況，仔細掃描后視精密導線點上的標靶，使得三維激光掃描系統(tǒng)可以把中心點坐標自動擬定出來，進而為順利開展點云數(shù)據(jù)拼接以及為定位工作提供數(shù)據(jù)支持[6]。此外，工作人員要在電腦筆記本上仔細檢查本站掃描數(shù)據(jù)的完整性，盡量確保本站所獲得的點云數(shù)據(jù)與其他站所獲得的數(shù)據(jù)重疊度達到30%，并且要結(jié)合所獲得的點云數(shù)據(jù)狀況，科學合理地計劃下一個設(shè)站位置。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

隧道工程內(nèi)部空間狹窄，且濕度大、空氣流動差，造成施工難度較大。因此在正式外業(yè)數(shù)據(jù)采集之前，做好方案設(shè)計工作，并且嚴格按照方案設(shè)計進行落實。在隧道內(nèi)的側(cè)壁上，設(shè)置精密導線點，對其采用相應的保護措施，使其保存完整，之后使用強制歸心裝置。為了能夠把隧道內(nèi)部具體狀況真實地反映出來，在采集外業(yè)數(shù)據(jù)過程中RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀所設(shè)置的掃描距離為200 m，點云采樣間隔為100 m處0.03 m，掃描范圍為360°全圓掃描。這樣不僅能夠把隧道具體情況直接反映出來，還可以使得外業(yè)工作效率得到一定程度的提升。在具體作業(yè)時，一旦碰到半封閉空間控制點布設(shè)困難的情況，采用RIEGL自帶的點云處理軟件，并且發(fā)揮其RISCANPRO自動拼接功能，結(jié)合三維激光掃描儀，實現(xiàn)自由設(shè)站，對于測站之間的重疊區(qū)域，保證在30%以上即可，然后開展內(nèi)業(yè)工作，對數(shù)據(jù)實施拼接處理。通過這種方式，可以提高測量效率，縮短測量時間[7]。

3 數(shù)據(jù)處理

在業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)處理過程中，工作人員可以根據(jù)實際情況，科學合理地利用RIEGL自帶點云處理軟件RISCANPRO，按照斷面提取、點云數(shù)據(jù)抽稀、影像匹配、拼接以及去噪的步驟完成此項工作。

3.1 數(shù)據(jù)拼接以及去噪

通過RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀的應用，將采集的點云數(shù)據(jù)合理地引入到RISCANPRO內(nèi)部，從中就會看到一些噪點。噪點主要是在外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程受相關(guān)因素影響所產(chǎn)生的，包括掃描過程中出現(xiàn)遮擋，掃描時受到光束反射等影響所造成的，工作人員可以充分發(fā)揮程序自帶的剔除功能，將這些噪點相應地剔除?；诔鞘熊壍澜煌ㄋ淼纼?nèi)部的實際情況，一般情況下，內(nèi)部控制點的邊長較短（平均在150 m左右），因此對于相鄰測站之間，所獲得的點云數(shù)據(jù)基本重合，這樣就會造成有大量重疊無效的數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)整理時，工作人員需要注意對這部分數(shù)據(jù)的處理，剔除無效點云數(shù)據(jù)，然后將相鄰測站有效點云數(shù)據(jù)保存下來并使用[8]。

3.2 數(shù)據(jù)拼接

由于在外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中，使用的測站+后視，輔助自由設(shè)站模式，雖然起到了良好的測量效果，但是對于所獲得的點云數(shù)據(jù)，只是點號等相關(guān)信息，對于控制點坐標，在現(xiàn)場施工中未輸入到系統(tǒng)中，這樣測站+后視模式所采集點云數(shù)據(jù)是獨立的，自由設(shè)站所獲得的點云數(shù)據(jù)也是獨立的，都存在于各自的坐標系統(tǒng)內(nèi)部。因此，為了將二者所獲得的點云數(shù)據(jù)整合到同一坐標系統(tǒng)下，工作人員要采用適宜的方式拼接點云數(shù)據(jù)。對于測站+后視模式所采集的點云數(shù)據(jù)，具體要按照RISCANPRO坐標文件格式編譯點云數(shù)據(jù)，然后讀入點云處理軟件以及去噪點后的點云數(shù)據(jù)，點云數(shù)據(jù)在選取對應控制點后自動進入測量坐標系統(tǒng)，最后進入同一個文件，獲取整體數(shù)據(jù)[9]。對于自由設(shè)站所采集的點云數(shù)據(jù)，要運用到測站+后視模式所采集點云數(shù)據(jù)經(jīng)過拼接處理后的數(shù)據(jù)，通過掃描使得二者重合，然后自動拼接，最后獲取整體點云數(shù)據(jù)。

3.3 影像匹配

觀察點云數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)其沒有任何的顏色，導致點云數(shù)據(jù)缺少直觀性，因此，工作人員要采用適宜的方式，針對點云數(shù)據(jù)進行影像匹配作業(yè)。在掃描過程中，工作人員獲取影像數(shù)據(jù)時，可以采RISCANPRO的Image Registration模塊進行，這樣對于獲得的點云數(shù)據(jù)信息，會獲得相關(guān)的色彩信息。

3.4 點云數(shù)據(jù)抽稀

對于每個測站之間，重疊區(qū)域較大，且掃描的點云數(shù)據(jù)間隔較小，這就導致所獲得的點云數(shù)據(jù)量較大，因此工作人員采用適宜的方式對點云數(shù)據(jù)進行抽稀作業(yè)非常有必要。這樣可以使得隧道結(jié)構(gòu)斷面提取的數(shù)據(jù)更加具有時效性以及科學性。在對處理以后的點云數(shù)據(jù)進行抽稀過程中，要以0.05 m間隔完成此項工作。除此以外，在提取結(jié)構(gòu)斷面原始信息數(shù)據(jù)時，可以直接使用抽稀以后的點云數(shù)據(jù)[10]。

3.5 結(jié)構(gòu)斷面提取

在結(jié)構(gòu)縱斷面信息數(shù)據(jù)提取過程中，要滿足一定的要求，即對于點位與設(shè)計里程，必須要相對應，在數(shù)據(jù)采集過程中，完成軌道鋪設(shè)工作以后，工作人員利用RISCANPRO軟件，發(fā)揮其特征線提取功能，科學合理地提取軌道軌頂中心線。對于獲取的軌道規(guī)定中心線以后，還要與軌道中心線擬合，最后要與設(shè)計線位套合，通過上述方式后，可以獲得中線里程。與此同時沿著軌道中心線，進行縱段面的剖切，可以在點云數(shù)據(jù)中獲得高程。沿縱斷面里程，結(jié)構(gòu)橫斷面在直線段上，要保證每6 m有一個橫斷面，其剖切方向與中線垂直；結(jié)構(gòu)橫斷面在曲線線段上，要保證每5 m要有一個橫斷面，其剖切方向要與切線方向垂直，與此同時對于結(jié)構(gòu)斷面變化處，根據(jù)要求也要設(shè)置斷面。剖切以后，可以獲得三維坐標值。在匹配縱斷面里程及對應中心點坐標時，可以將剖切的橫斷面作為主要依據(jù)，在此過程中，對于結(jié)構(gòu)斷面，可以在中線里程中隨意增加。在繪制結(jié)構(gòu)橫斷面時，對于采用的點云數(shù)據(jù)，可以直接使用剖切導出來的點云數(shù)據(jù)，在繪制結(jié)構(gòu)縱斷面時，主要是針對擬合的軌道中心線，直接提取即可。完成上述工作以后，工作人員進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，同時整理成果，需要按照規(guī)定的提交格式[11-12]。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文深入研究了三維激光掃描技術(shù)在城市軌道交通隧道工程結(jié)構(gòu)斷面測量過程中的使用情況，分析了三維激光掃描技術(shù)在軌道結(jié)構(gòu)斷面測量過程中的數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)獲取方法。在實施隧道結(jié)構(gòu)斷面測量作業(yè)時，科學合理地利用三維激光掃描技術(shù)，不僅可以為后期隧道數(shù)字化建設(shè)任務提供重要依據(jù)，還能使隧道施工經(jīng)濟效益得到一定程度的提升。