三维激光扫描仪在地铁竣工测量中应用及精度研究

三维激光扫描仪在地铁竣工测量中应用及精度研究

陈泳

佛山市测绘地理信息研究院广东佛山

【摘要】地铁完成土建施工后，验收测量团队须对区间、车站等进行准确的竣工验收。随着地铁施工难度的提升，传统测量方式已经无法满足竣工测量的要求，且工程量较大，处理过程较为复杂，工作效率低。因此，验收团队必须加大对竣工测量的重视程度，合理引入三维激光扫描仪等多种先进设备，构建地铁车站三维模型，科学处理地铁车站的空间，提升测量数据的精度与准确性，保障测量数据可满足地铁施工的要求。因此，本文结合广佛线二期，重点研究地铁竣工测量中应用三维激光扫描仪的方式。

【关键词】三维激光扫描仪；地铁；测量方式；精度

地铁完成土建工程施工后，须进行严密的竣工测量，其主要任务在于测量已竣工的地下构筑物，收集好相关测量数据，将其与设计数据比较，整理成相应的测量成果，为相关部门提供综合分析的数据参考[1]。同时，竣工测量的范围包括车站空间尺寸、隧道区域二衬断面。就传统测量方式而言，通常应用的测量设备有测距仪、全站仪等[2]，能够独立采集不同车站点的三维坐标，施工人员通过软件绘制空间、断面的尺寸图，与设计数据比对后，分析地铁土建施工工程的质量，检查其是否达到设计要求，但此种测量方式的工作量较大。

1．三维激光扫描仪数据收集方式

三维激光扫描仪是现代化科学技术飞速发展的产物，属于新型测量设备，是对单点测量技术的发展与改造，直接简化了外业测量的程序，该设备以非接触式激光测量技术为基础，主要形式为点云，通过收集、保存空间物体表面已有的三维几何信息、纹理数据。同时，三维激光扫描仪分为四个系统，一是扫描系统，二是测距系统，三是仪器内部校正等系统、集成CCD数字摄影，其运行原理为：设备对物体发射出激光，收集激光发射时间与返回时间，计算出物体与扫描仪之间的几何距离，结合垂直、水平两个方向，计算出角距值与点位准确三维坐标，借由储存设备记录完整数据，经过专业处理后建模，创建物体空间三维模型。

本文研究选择广佛线二期世纪莲车站与世纪莲到东平新城区间竣工测量工程为例，引入三维激光扫描仪，观察设备的应用方式。世纪莲车站属于地下两层岛式车站，方便乘客换乘也可降低运营成本。世纪莲到东平新城区间的长度约为1000m，施工方式为喷锚构筑法。完成区间二衬、主体结构的施工后，通过三维激光扫描仪开展竣工测量工作，该设备的扫描距离长、视场角大，其垂直方向达270°，水平方向达360°，标靶获取精度和表面建模精度为两毫米、距离精度达四毫米、角度精度达12"、单点测量点位精度达六毫米，设备内置数码相机像素达400万，能够在扫描云点的过程中拍摄清晰照片，形成点云纹理贴图。此外，为满足现代工程不同层次的需求，该三维激光扫描仪带有外置高像素相机，水平360°可拍摄6张照片[3]，经过Cyclone处理软件后开始快速贴图，展现出真彩色的点云数据，从而丰富扫描成果。

进行外业测量时，区间、车站控制点都需要架设标靶，根据施工现场情况进行任意架站，但一般要与两个标靶进行通视，整平设备后结合扫描仪的性能参数、施工环境确定扫描站的间距、两个扫描点的密度，确保不同测站保持相应的扫描重叠度。也应同步开展隧道三维激光扫描工作，获取准确的隧道三维点云数据与标靶点云数据。通常而言，隧道下扫描站的间距控制在50m至100m，为提升三维模型的实用性、数据的可靠性与利用率，可采取精细扫描模式，使得在100m位置的扫描密度达0.3mm，保障精细数据可满足地铁车站的特殊项目需求。

通过三维激光扫描仪收集的观测数据（原始数据）分为以下几部分：（1）测量两个持续转动得来的反射脉冲激光镜角度值，计算激光束的竖直方向与水平方向值；（2）不同扫描点反射强度；（3）利用脉冲激光传播时间计算设备到扫描点距离；（4）借助数码相机收集场景影像数据。

2．三维激光扫描仪数据处理方式

2.1计算标靶三维坐标

通过水准测量与导线测量数据成果，计算不同位置的标靶三维坐标，应保障数据的准确性与可靠性。

2.2拼接

结合不同位置的标靶三维坐标，收集对应测站点云数据，并将其归整到已经建立好的地铁隧道三维坐标系统中。

2.3排除噪音数据

根据地铁隧道设计断面、平或者竖曲线等设计数据，将隧道壁外存在的噪音数据剔除。噪音数据包括隧道中的注浆孔、照明系统、螺栓孔、电缆、螺帽、其他管壁设施[4]。

2.4输出成果

利用Cyclone软件完成快速贴图的工作程序，生成准确的真彩色点云数据，，根据提取、量测空间建成的点云模型，两个不同指定点空间几何尺寸，或者提取断面数据，与原本设计数据比较、分析、计算。

3．分析三维激光扫描仪数据精度

三维激光扫描仪测量数据结构精度与设备本身分辨率、距离测量的精度、角度测量的精度、测量对象本身发射特征、测量外部环境条件、数据处理软件与方法、边缘效应等多种因素有着密切关系。针对原始数据而言，影响精度的主要因素为距离测量、角度测量的两个精度，精度与设备出厂标称精度有着很大联系；针对三维模型而言，其决定因素为采样间距、激光脚点光斑本身大小，此两种因素均能够调整，说明模型精度也能够随着数据的变化而变化。

三维激光扫描仪测角精度与测角误差、设备系统误差有关[5]，还与待测物品表面材质有重要关系。因设备收集的首次能量反射能够来源于激光脚点光斑范围的任一位置，这也就说明势必存在系统误差，增加了偏离中心轴线误差的不确定性，其误差大小与入射激光、表面法线、物体粗糙度、光谱特征等有关。

就测距误差而言，三维激光扫描仪分为随机、系统误差两种。测距根据首次俘获的发射是能量确定对应测量值，但反射能力受到表面法线、目标表面特征、入射激光等因素的影响，由此产生的误差应予以考虑。激光点在设备坐标系中P（X，Y，Z）可表示为：X=S·cosθ·cosα；Y==S·cosθ·sinα；Z==S·sinθ。其中S代表设备中心到测点斜距，α、θ代表水平、竖直方向旋转角度，可计算出误差模型，进而对测站中最弱点的精度进行估计，确定其重要性。就本工程而言，其通过精细扫描模型，收集地下控制点经过两站一区间联测，计算出平差，得到最终点位扫描精度超过3mm。

【结语】

综上所述，地铁车站对于外业数据的精度要求非常高，主要原因在于地铁本身的控制点精度高、扫描距离较短，当前行业内部在进行竣工测量工作时，通常会使用“Cyclone”软件，通过标靶拼接等途径，制作点云拟合模型，让成果变得更为全面，成果表达方式较多，包括线划图、点云、模型等。引入三维激光扫描仪后，能够有效缩短测量时间，有利于合理配置资源，节省人力、物力与财力，提升整体生产效率。

【参考文献】

[1]张爱琳,李璐.基于三维激光扫描仪测距传感器的机械臂末端位姿测量[J].仪表技术与传感器,2017,19(1):42-45.

[2]郭献涛,黄腾,沈月千等.参数相关随机信息约束下的地面脉冲激光扫描仪自校准[J].光学精密工程,2016,24(6):1319-1327.

[3]孙爱怡,王健,赵富燕等.基于三维激光扫描技术的不规则物体表面积的测定方法[J].测绘与空间地理信息,2016,39(6):36-39.

[4]邵晴,徐涛,吉野辰萌等.基于三维激光扫描技术的粮食储量监测系统的设计与试验[J].农业工程学报,2015,31(20):262-267.

[5]李明磊,高欣圆,李广云等.地面三维激光扫描仪与外架数码相机间安置参数的高精度标定[J].光学精密工程,2016,24(9):2158-2166.