三维激光扫描技术在隧道工程竣工测量中的应用研究

孔祥玲，欧斌

(重庆市勘测院，重庆 400020)

三维激光扫描技术在隧道工程竣工测量中的应用研究

孔祥玲∗，欧斌

(重庆市勘测院，重庆 400020)

应用研究与生产相结合的方法，介绍了地面三维激光扫描技术在城市轨道交通隧道工程竣工测量中的数据采集流程，并对采集数据进行拼接裁剪、图形定位、影像匹配、抽稀和线状地物提取等操作，讨论了三维激光扫描技术在隧道竣工测量领域内应用的可行性、技术优势、测量方法和数据处理方法。

三维激光扫描；轨道交通；隧道竣工测量；点云数据

1 引 言

三维激光扫描技术是近年发展起来的一门新技术，以高精确、快速、海量、无接触测量等优势在众多领域发挥着越来越重要的作用。三维激光扫描测量依靠其硬件性能与获取数据方式的特点，大大弥补了传统测量方法的不足。在硬件方面，激光扫描仪采用半导体激光器，激光方向性好，光功率高，使得测量仪器分辨率高，稳定性好，测量精度高。在数据获取方面，激光扫描测量的数据获取方式灵活，不需要接触物体，避免了接触测量可能对被测物体表面带来的损害，提高了检测速度。与其他非接触式测量方法相比，该技术具有较大的偏置距离和测量范围，对某一区域扫描时，采集点位密度大，数据信息丰富，可以更真实地反映现实环境；测量准确度高，特别适合测量表面复杂的物体及其细节的测量，实现目标的精细化测量；测量速度快，节约大量的时间，使工作效率提高，劳动强度降低，投入费用也有减少；抗干扰性好，在昏暗的条件下或者夜间都不影响测量。

建设城市轨道交通，是城市现代化交通发展的必然选择，也是有效解决“大城市交通病”的首要选择。纵观国内外大城市交通发展经验，城市轨道交通已经成为提升城市功能和形象、拉动城市经济、拓展城市框架、繁荣城市商贸、改善居民生活、提升土地和基础设施等城市资源价值的强力杠杆。轨道交通线路，部分位于地下隧道中，根据政府管理的需要，必须进行规划竣工测量。本文根据城市轨道交通规划竣工测量的要求，结合重庆地铁一号线工程，采用RIEGL VZ-1000三维激光扫描仪，引入了激光三维扫描技术在隧道竣工测量中的应用研究。

2 项目概述

重庆地铁一号线是重庆轨道交通规划线路的重要干线，先期建设的一期工程，东起渝中区小什字、西至沙坪坝，途经渝中区、九龙坡区、高新区和沙坪坝区，全长16.5 km，沿线设14座车站，其中有4座换乘站，是贯穿主城核心区东西方向的轨道交通主干线路，其线路和车站全部位于地下隧道中，如图1所示。地铁一号线一期工程是目前全国运行速度最快、爬坡能力最强、隧道埋深最深的地铁之一。同时，也是国内第一条建成通车的山地城市地铁线路。

图1 重庆地铁一号线一期工程线路及车站分布图

地铁一号线一期工程竣工地形测绘的比例尺为1∶500，基本等高距为0.5 m，高程注记至厘米。竣工测绘的内容主要包括:线路轨道竣工测量，区间隧道、车站和附属建筑结构竣工测量。

3 RIEGL VZ-1000三维激光扫描仪

RIEGL VZ-1000三维激光扫描成像系统拥有RIEGL独一无二的全波形回波技术(waveform digitization)和实时全波形数字化处理和分析技术(on-line waveform analysis)，每秒可发射高达300，000点的纤细激光束，提供高达0.0005°(1.8″)的角分辨率。这种高精度高速激光测距及可同时探测到多重乃至无穷多重目标的细节信息技术优势，是传统单次回波反映单一物体技术所无法比拟的。除此以外，基于RIGEL独特的多棱镜快速旋转扫描技术，它能够产生完全线性、均匀分布、单一方向的扫描激光点云线。通过与“云台”配合测量，可以对隧道进行360°全圆扫描，获取全方位点云数据。

4 外业数据采集

竣工测量区域涉及轨行区和车站，由于白天试车无法施测，测量工作只能在夜间进行，隧道内通视条件较差，湿度大，空气流动性差，且存在施工干扰，测量难度很大。根据工程的特点，在隧道内采用RIEGL VZ-1000激光扫描仪配合“云台”测量技术，进行全方位数据采集。扫描步骤主要包括如下4步:

(1)在控制点上架设激光扫描仪，对其进行严格的对中整平。

(2)根据隧道复杂程度和工程要求对相应的主要参数进行设置，包括扫描距离、扫描范围、扫描点云间隔等。

(3)在扫描过程中实时监控扫描数据情况，保证获得较好的扫描数据，在扫描结束后对获取的数据进行检查，保证数据的完整性。

(4)在扫描结束后，对扫描范围内进行拍照，获取影像数据。

由于RIEGL VZ-1000三维激光扫描仪具有无需后视定向，只需要保证两站扫描数据具有30%的重叠区域，就可以在内业处理时进行自动拼接。因此在外业测量时，除在已知点上设站外，也可以在任意位置设置，较大的缩短了外业测量的时间。

为了真实反映隧道内情况，在扫描时设置采样间隔为100 m处0.03 m的间隔进行扫描，采用这种采样间隔设置主要是在保证测量数据满足工程要求精度的情况下，尽可能反映真实地形情况和保证工作效率。

5 数据处理

5.1 数据拼接和裁剪

内业数据处理时，将RIEGL VZ-1000三维激光扫描仪扫描的数据导入到RIEGL自带的点云处理软件RISCAN PRO对扫描数据进行处理。由于在外业数据采集时，未进行坐标定位和后视定向，每站采集的点云数据在各自的坐标系统里，各站之间是相互独立的，因此需要对点云数据进行拼接，使点云数据合并到同一坐标系下。

采用RISCAN PRO点云处理软件的Registration模块对点云数据进行拼接。首先对在已知点上设站扫描数据中输入设站点和后视点坐标，并以此扫描数据为基础数据，基础数据作用是使自由设站的点云数据以基础数据的坐标系统为依据进行拼接。其次是对自由设站扫描数据进行平移和旋转，软件根据每站数据之间30%的重叠区域数据特征进行自动拼接，最终得到整体的点云数据，拼接之后得到的点云数据如图2所示。经检查，该工程的拼接精度为5 mm。

图2 拼接后整体点云数据(部分)

5.2 影像匹配

点云数据本身没有颜色，并不直观，因此需要对点云数据进行影像匹配。通过扫描时获得影像数据，应用RISCAN PRO的Image Registration模块对点云数据进行影像匹配，获取点云的颜色信息。

图3 影像匹配后点云数据(部分)

5.3 点云数据抽稀

由于扫描的点云数据间隔小，数据量大，需要对数据进行抽稀，得到适合建构筑物点位提取的有效数据。因此对处理后的点云数据以0.05m间隔进行抽稀，抽稀后的点云数据，作为竣工图提取相关信息的原始数据。

5.4 线状地物提取

在RISCAN随机自带软件中，提取轨道的平面位置和轨顶标高、轨道的道岔、消火栓、行车信号灯等特征点。地下区间隧道和地下车站及附属设施提取隧道内侧的平面位置、高程，隧道底高、起拱高与顶高，同时对车站出入口、通道和风道结构的平面位置和高程进行数据提取，形成隧道平面图，对特征部分进行注记。将提取的平面图叠加在隧道对应地面的地形图上，形成竣工地形图，提交规划管理部门验收。

图4 隧道特征线提取(部分)

图5 隧道断面线提取(部分)

6 结 语

本次针对三维激光扫描系统在轨道交通隧道工程竣工测量中的应用进行了研究，提出了该技术在隧道竣工测量中的数据获取和数据处理方法，说明三维激光扫描技术在隧道竣工测量中应用的可行性。通过三维激光扫描技术获取了隧道的点云数据，为大量的后续隧道数字化建设任务提供了数据基础，是实施全方位隧道维护战略、提高隧道设施维护经济效益的保证。

[1] 肖书安，张正禄.高速铁路隧道竣工测量新技术[J].铁道标准设计，2007(9)：72～74.

[2] 欧斌，黄承亮.三维激光扫描技术在分方测量中的应用研究[J].城市勘测，2012(2)：123～125.

[3] 秦长利.城市轨道交通工程测量[M].武汉：武汉大学，2005.

[4] 马立广.地面三维激光扫描测量技术研究[D].武汉：武汉大学，2005.

[5] 郑德华，雷伟光.地面三维激光影像扫描测量技术[J].铁路航测，2003，(2)：26～28.

[6] 郑德华，沈云中，刘春.三维激光扫描仪及其测量误差影响因素分析[J].测绘工程，2005，14(2)：32～34.

The Application and Research of 3D Laser Scanning Technology in Finish Tunneling Survey

Kong Xiangling，Ou Bin
(Chongqing Surveying Institute，Chongqing 400020，China)

The research and application of themethod of combining the production，it introduced 3D laser scanning technology of the data collection process in urban rail traffic finish tunneling survey，and operated to registration、cutting、placed images、imagematching、vacation and Line features extraction to collect data，discussed about feasibility of application、Technological advantage、measuring method and data processing method of 3D laser scanning technology in the finish tunneling survey field.

3D laser scanning；Rail transit；Finish tunneling survey；Point clouds data

1672-8262(2013)02-100-03

P235

A

2012—07—18

孔祥玲(1973—)，女，高级工程师，主要从事工程测量工作。