閆曉楠，宋洪英，徐 奇，霍燕濤，程 瀟

（1.航天規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，北京 100162）

三維激光掃描技術(shù)是上世紀(jì)九十年代中期開(kāi)始出現(xiàn)的一項(xiàng)高新技術(shù)，是繼GPS 空間定位系統(tǒng)之后又一項(xiàng)測(cè)繪技術(shù)新突破[1-4]。它通過(guò)高速激光掃描測(cè)量的方法，大面積、高分辨率地快速獲取物體表面各個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率、顏色等信息，利用這些大量、密集的點(diǎn)信息可快速?gòu)?fù)建出1∶1 的真彩色三維點(diǎn)云模型，為后續(xù)的內(nèi)業(yè)處理、數(shù)據(jù)分析等工作提供準(zhǔn)確依據(jù)。其具有快速性，效益高、不接觸性、穿透性、動(dòng)態(tài)、主動(dòng)性，高密度、高精度，數(shù)字化、自動(dòng)化、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，很好地解決了目前空間信息技術(shù)發(fā)展實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性的頸瓶[5-6]。與傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比，移動(dòng)式三維激光掃描新技術(shù)效率大大提高，是未來(lái)隧道檢測(cè)技術(shù)的重要發(fā)展方向之一[7]。

地鐵隧道限界是保證城市軌道交通列車運(yùn)行安全的重要指標(biāo)。隨著軌道交通建設(shè)的不斷發(fā)展，地鐵相關(guān)的限界測(cè)量、斷面測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)、地鐵三維地理信息系統(tǒng)等信息對(duì)地鐵建設(shè)、運(yùn)營(yíng)技術(shù)管理方面起著重要作用。本文基于移動(dòng)式三維激光掃描技術(shù)對(duì)新建車站、區(qū)間隧道進(jìn)行三維激光掃描作業(yè)，其結(jié)果旨在為地鐵安全運(yùn)營(yíng)提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)為相關(guān)工程項(xiàng)目提供參考依據(jù)[8-10]。

1 三維激光掃描基本原理與方法

三維激光掃描系統(tǒng)主要由掃描系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)三部分組成，三維激光掃描儀通過(guò)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的馬達(dá)來(lái)使掃描頭部轉(zhuǎn)動(dòng)，與此同時(shí)激光發(fā)射器發(fā)出激光，激光經(jīng)過(guò)待測(cè)物體表面反射回到掃描系統(tǒng)，被掃描系統(tǒng)中的激光接收器接收，激光接收器根據(jù)激光反射回來(lái)的水平向掃描角度α和豎向掃描角度β、激光束從發(fā)射到被接收的往返傳播時(shí)間t、信號(hào)強(qiáng)度等信息，由往返時(shí)間t求出掃描儀到目標(biāo)物體之間的距離S，再配合掃描儀自身的位置信息，就可以反演得到目標(biāo)物體表面的三維坐標(biāo)信息及反射強(qiáng)度信息等。

在測(cè)量過(guò)程中每一臺(tái)三維激光掃描儀都有自身的坐標(biāo)系統(tǒng)，儀器的中心就是自身坐標(biāo)系的原點(diǎn)，X軸與Y軸相互垂直位于水平掃描視場(chǎng)，Z軸垂直于X、Y軸構(gòu)成的平面位于豎向視場(chǎng)，如圖1所示。

根據(jù)圖1 幾何關(guān)系，即可得到目標(biāo)物體的三維坐標(biāo)計(jì)算公式。

圖1 三維激光掃描原理圖

式中，S為掃描儀到物體的距離；α、β分別為水平向掃描角度和豎向掃描角度。

2 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目主要完成某新建地鐵車站、區(qū)間隧道三維激光掃描任務(wù)，對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、形成成果報(bào)告等，其中車站僅掃描站臺(tái)部分，站臺(tái)長(zhǎng)約120 m，區(qū)間隧道約1.5 km。在線路正式開(kāi)通前，以三維激光掃描方式開(kāi)展新線普查，可以全面了解新線結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，為新線接收、缺陷整改、試運(yùn)行期間地鐵結(jié)構(gòu)維修提供科學(xué)依據(jù)。

3 作業(yè)流程與數(shù)據(jù)處理

三維激光掃描作業(yè)先進(jìn)行外業(yè)作業(yè)再進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，外業(yè)掃描作業(yè)主要是數(shù)據(jù)采集的工作，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理相對(duì)復(fù)雜。本次三維激光掃描內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

由圖2 可知，三維激光掃描的外業(yè)作業(yè)采集的數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)掃描系統(tǒng)將采集所得數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，主要包括將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、線性化、軌跡解算處理等等，掃描系統(tǒng)數(shù)據(jù)預(yù)處理后得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)；點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云去噪處理；將得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)Cyclone 軟件處理，得到區(qū)間隧道橢圓度、水平直徑和限界等信息。最終的成果輸出資料主要包括區(qū)間隧道、車站三維空間信息、區(qū)間隧道、車站點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型、正射影響圖、區(qū)間隧道橢圓度、水平直徑和限界等成果資料。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖

4 案例分析

4.1 橢圓度分析

目前地鐵隧道基本上都采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間隧道在設(shè)計(jì)施工時(shí)為圓形，但在施工后會(huì)變形為離心率很小的橢圓，橢圓度的大小可以表示施工的工藝質(zhì)量。對(duì)區(qū)間隧道三維激光掃描結(jié)果中橢圓度進(jìn)行可視化分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 橢圓度可視化結(jié)果

由圖3 可知，橢圓度最大在56 環(huán)，表現(xiàn)為12.5‰，橢圓度最小表現(xiàn)在87 環(huán)，橢圓度為1.6 ‰，總體而言，500 個(gè)管片橢圓度基本在10‰以內(nèi)，整體拼裝質(zhì)量可靠。

4.2 水平直徑分析

標(biāo)準(zhǔn)盾構(gòu)隧道為圓形，外徑6.3 m，標(biāo)準(zhǔn)隧道水平直徑為5.5 m，襯砌采用拼裝管片，管片厚度0.35 m。對(duì)區(qū)間隧道三維激光掃描結(jié)果中水平直徑與標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑進(jìn)行偏差分析，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行可視化分析，如圖4所示。

圖4 水平直徑偏差可視化結(jié)果

由圖4 可知，隧道水平直徑與標(biāo)準(zhǔn)直徑間存在偏差，99.9%隧道水平直徑整體大于標(biāo)準(zhǔn)直徑，只有一環(huán)管片小于標(biāo)準(zhǔn)直徑；隧道水平直徑與標(biāo)準(zhǔn)直徑間最大偏差為41.7 mm，最小偏差為-0.8 mm，平均偏差為15.7 mm。

4.3 限界分析

以軌面中心線為基準(zhǔn)，導(dǎo)入設(shè)計(jì)限界圖，計(jì)算掃描點(diǎn)云與限界邊線的最小距離，判斷車輛是否侵限，同時(shí)確定侵限長(zhǎng)度大小。對(duì)車站28道滑動(dòng)門進(jìn)行限界檢測(cè)分析，結(jié)果表明共計(jì)存在15道滑動(dòng)門侵界，分析查看后確認(rèn)均為防踏空膠條侵界，不影響行車安全；15道滑動(dòng)門侵界長(zhǎng)度最大值為30.2 mm，最小值為2.2 mm，平均值為17.6 mm。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于三維激光掃描技術(shù)對(duì)某新建地鐵車站、區(qū)間隧道三維激光掃描作業(yè)，并對(duì)其成果進(jìn)行分析，結(jié)果表明500個(gè)管片橢圓度基本在10‰以內(nèi)，整體拼裝質(zhì)量可靠，橢圓度最大為12.5‰，橢圓度最小為1.6‰。隧道水平直徑與標(biāo)準(zhǔn)直徑間存在偏差，最大偏差為41.7 mm，最小偏差為-0.8 mm，平均偏差為15.7 mm；對(duì)車站28 道滑動(dòng)門進(jìn)行限界檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)共計(jì)存在15 道滑動(dòng)門侵界，侵界長(zhǎng)度最大值為30.2 mm，最小值為2.2 mm，平均值為17.6 mm。本文通過(guò)三維激光掃描技術(shù)確定了地鐵隧道限界，保障了地鐵行車安全，也為今后同類項(xiàng)目提供參考依據(jù)。