三维激光扫描技术在地铁工程测量中的应用

三维激光扫描技术在地铁工程测量中的应用

彭琛

上海勘察设计研究院（集团）有限公司华南分公司广东佛山528000

摘要：三维激光扫描仪的非接触式测量，能在复杂的建筑环境中进行测量工作，高准确度，更好的适应地下工作环境的地铁项目。本文以地铁工程为例，简述三维激光扫描仪的工作原理和优点，并对三维激光扫描技术在地铁施工中的应用进行了详细的探讨，并将能影响到工程的各种因素加入到探讨行列中，从各个方面研究这项技术的有效价值，这样也更有说服力，更有意义，使其实用价值直观充分地展现出来。

关键词：地铁工程；三维激光扫描技术；优势；应用

引言

当前，随着现代化社会的快速发展，人们的生活节奏日益加快，需求也是一直在变化中，需要的更多更好了，人们都向往更好的生活，大量人口迁入城市，城市人口不断增长，交通日渐拥挤，因此，为减轻因人口及车辆增加而造成的交通压力，我国许多城市都在修建地铁。目前地铁已成为人们的主要交通方式之一，其环保又经济，速度快耗时短，主要是很准时，符合人们对工作时间的时间需求。在地铁建设中，特别是在测量工作中，存在着诸多问题。三维激光扫描技术以激光为媒介，能够进行非接触式的测量，利用激光的回波时间来确定距离，同时利用多点测量方法可以获得多个点位的信息，从而建立立体的三维模型，从而为地铁项目建设的正常进行提供了依据。同时也为人们生活水平的提高做出了有效贡献，从而使社会更繁荣，人民更安康。

1工程概况

某地铁是一盾构隧道，其设计半径为2.7m，尚未铺设铁轨，位于施工区右端的一座厂房，正在进行地基处理，基坑开挖深度为8.75m，而本区间隧道顶部只有10.8m深，与厂房地下室外墙之间的距离最短为28m。为了保证工程的顺利进行，此文提出利用三维激光扫描仪对隧道断面进行测量的方法。该项目的测量工作有以下难点：①测量任务繁重，工期紧张，必须对项目进度进行严格的控制，而且必须在很短的时间内完成大量的测量，因此对测量工作的效率有很高的要求；③对地铁工程建设有高精度要求，因此，在建造期间，要获得精确的资料，做为设计调线调坡依据，以免对以后的铺轨及设备安装施工活动造成影响，故测量工作人员要保证测量的准确性。

2三维激光扫描技术的原理及优势分析

2.1技术原理

三维激光扫描技术（3DLaserScanningTechnology）是测绘领域一种高精度、立体化、自动化扫描技术，能够有效、精确地获得目标表面的连续、全面、关联和密度的坐标数据和图像信息，它是一种新的测量方法[1]。三维激光扫描技术原理如图1所示，利用激光做媒介，计算光束的反射时间，求单点的间距长度，通过激光反射获得测量对象的其他相关情况，同时，通过对被测对象的综合信息的快速采集，建立了一个立体的三维模型。

图1三维激光扫描技术原理

3三维激光扫描技术在地铁工程测量的应用

3.1测量仪器选择

在该工程的测量中，测量仪器选择LeicaP40三维激光扫描仪与LeicaTS50全站仪，软件系统选择LeicaCylone[2]。这种扫描器具有更高的准确度，25米的距离偏差不大于±2毫米，它的最大扫描点数是97600点，能够满足工程的测量工作需求。

3.2基础数据采集

首先需要设定扫描参数，借鉴类似项目的施工经验，同时，结合工程的实际，在工程中运用适度的质量和速度进行测量，图像的质量是4倍，分辨率是1/5，每一测站测量时间都在6分35秒以内。其次，就是标靶的位置和设置，利用LeicaP40三维激光扫描系统的有效检测距离，保证收集到的资料的精确度，邻近的测点之间的间距约为30米左右。在这个工程中，本隧道段共有6km，每一面都有不同的靶子，主要用于区分量程。相邻两个测量点必须放置3个以上的靶子，注意目标不能在同一平面上，以免影响测量的准确性。

3.3数据处理

在数据的处理上，有四个方面的内容。首先是点云的拼接和噪声的处理，LeicaP40的三维激光扫描设备配备了专用的点云处理软件，能够实现对测点的拼接；噪点的去除方法主要是使用Cyclone软件来消除噪声。其次是建立三角网格模型，这是资料处理过程中的一个关键部分，利用Geomagic软件选择适当的参数，建立一个三角形网格模型，将点云与全站仪的实测资料进行比较，从而评价该工程的测量精度和可靠性。要求使用三维激光扫描法获得的数据和全站仪器的测量值之间的偏差不大于2cm。最后，对中线和剖面的输出进行了研究，在此基础上，提出了一种基于DWG的方法来实现的方法。在此基础上，利用CAD软件对三个不同的方向进行了测量，在横切面的中心点上，分别向左上、右上、左中、右中、左下、右下。

3.4数据分析

本文选择的LeicaP40三维激光扫描系统采集到的资料，对其进行了分析和处理，能够较为完整地反映出这一区域的空间信息，特别是对隧道变形的监测[3]。通过对该工程资料的收集和资料的分析，得出了该工程最小偏离中心轴为2mm，最大值为7.5mm，满足了地铁建设的要求；结果表明，在不同的圆周半径及工程设计半径下，误差范围在0.3mm～4mm之间，满足了地铁施工的要求；管片组装误差在22.5mm和26.3mm之间，而管片装配规范要求的直径偏差不得大于±6‰D，而在本工程中，最大偏差为27.0mm，故满足规定。

3.5测量结果分析

在进行外业扫描和数据预处理时，以隧道轴为X轴建立坐标系统，经实际测量，所测得的最小偏离中心轴2mm，最大为23mm；结果表明，所测得的最大值与设计值偏差分别为0.3mm和4.0mm，满足了地铁施工技术要求。在0°、90°、180°和270°方向，按不同的收敛准则，进行了曲线的拟合，得到了在0°方向上的管片半径2.688m、在90°方向上2.683m、180°方向上的2.703m、2.707m；通过拟合，发现在0°、90°、180°、270°方向上，其收敛半径有显著的差别，其侧向、侧向、纵向方向均比纵向方向大，与圆弧拟合半径的偏移方向基本相同。

结束语

总之，三维激光扫描仪在地铁工程测量中具备显著优势，它不但可以适应于各种复杂的工作环境，还可以获得较高的数据准确度和较高的工作效率，可以迅速建立起三维数据模型，为地铁工程的建设工作提供了有益的借鉴与参考。与传统的测量方法相比，三维激光扫描技术更适合现代化的工程建筑设计、施工、特别是大型设备和复杂环境的测量工作。三维激光扫描技术很大在程度上降低了投入成本，耗时短，大幅减少了人力支出，在短时间内完成建设项目，节省时间、精力以及各种物料资源，是比较适用于这个高速发展的现代化社会的。这种技术还能推动社会的发展，为未来的各个领域奠定基础，进而使人类社会更先进更科学，发展也更加快速，使其与当前快节奏的社会生活相适应相协调。

参考文献：

[1]李旭.三维激光扫描技术在地铁隧道竣工测量中的应用[J].测绘通报,2022(06):166-169.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2022.0192.

[2]许俊伟.三维激光扫描技术在地铁工程测量中的应用[J].智能建筑与智慧城市,2022(01):142-144.DOI:10.13655/j.cnki.ibci.2022.01.043.

[3]张胜军,杨志刚,康妍斐.三维激光扫描技术在地铁隧道断面测量中的应用[J].测绘与空间地理信息,2019,42(06):197-200.