利用三维激光扫描仪进行地铁隧道限界测量

2014-07-02谢志海

测绘通报 2014年12期

关键词：限界扫描仪断面

王敏，冯晶，谢志海

(1.四川商务职业学院，四川成都 610076；2.武汉海达数云技术有限公司，湖北武汉 430223；3.四川基准工程勘测有限公司，四川成都 610072)

利用三维激光扫描仪进行地铁隧道限界测量

王敏1，冯晶2，谢志海3

(1.四川商务职业学院，四川成都 610076；2.武汉海达数云技术有限公司，湖北武汉 430223；3.四川基准工程勘测有限公司，四川成都 610072)

轨道交通不断增多及其运行速度大幅提高，无疑对轨道限界检测的速度和质量提出了更高的要求。如何精确、高效地采集到隧道断面数据，根据采集的数据自动化地获取相关参数，并在此基础上进行相关分析与应用是国内隧道(地下空间)限界检测目前亟需的解决方案。针对上述问题，本文结合三维激光点云测量技术，提供了基于地面三维激光扫描仪的一体化、智能化隧道(地下空间)限界检测应用整体解决方案。经验证，该解决方案数据采集效率高，能够提取更为准确的断面数据成果，并一键智能地输出符合工程标准的限界检测报表。

隧道限界测量；三维激光扫描仪；隧道断面分析

一、引言

隧道(地下空间)限界是指列车沿固定的轨道安全运行时所需要的空间尺寸。近年来，我国轨道交通(地铁、高速)建设得到了迅猛的发展，轨道交通(隧道)工程的竣工验收、隧道日常运行维护等环节都需要隧道(地下空间)限界这一重要指标。

目前已有多种隧道限界的检测方法，但这些方法由于各自的局限无法满足现阶段越来越多的隧道限界检测要求。全站仪配合反射棱镜或反射标靶进行单点测量获取隧道横断面的方法，采集密度低、速度慢、人工作业量大；近景摄影测量通过影像匹配、定向等摄影测量数据处理步骤可以较快速地获取隧道三维模型，但是摄影测量对环境光线要求高，使此方法在隧道中的应用受到限制；激光隧道断面仪可以直接获取隧道断面，但其一次架站只能获得一个断面，对于长度较长、采集密度要求较高的隧道，检测耗时较长；隧道限界检测车可以快速、动态地获取等间隔隧道横断面，但其造价高，只能在铺轨后才能使用，目前在我国投入使用的数量不多。

三维激光技术区别于传统的单点定位测量、点线测绘技术以及摄影测量技术，具有以下特点[1]：全数字特征，直接获取三维点坐标；无须太阳光或光线的特别角度；高精度高密度步进扫描测量；扫描距离长；快速高效获取数据等。国内外三维激光扫描仪已经被广泛被应用于文物保护、城市测量等领域，如国外的 Faro三维激光扫描仪，国内的中海达LS300地面三维激光扫描仪。现阶段如何精确高效采集隧道断面数据及智能化进行隧道限界检测分析应用，三维激光扫描技术是有效的解决之道。本文基于此技术，提出地铁隧道限界测量分析的高效解决方案。

二、地铁隧道限界测量基本原理

本文基于三维激光扫描技术，结合相关处理软件对采集数据进行预处理及隧道限界分析，建立了基于地面三维激光扫描仪的隧道(地下空间)限界检测数据采集、处理、分析作业流程，提供了专业的隧道限界分析处理软件，为隧道(地下空间)限界检测数据采集提供高效率的数据采集手段与智能分析方案。该方案采用武汉海达数云技术有限公司的两个应用软件：海达三维激光点云处理软件(HD 3LS Scene)、隧道限界分析处理软件。其具体流程如图1所示。

三、点云数据采集

本文的测量方案遵循国标城市轨道交通工程测量规范[2]。在轨道隧道(地下空间)实际测量中，对于每个测量工程，需要保证两个以上控制点，并采用传统的测量方式获取控制点坐标。此外，在隧道控制点上方架设大靶球，整平对中控制点，用于点云拟合获取大靶球中心点坐标，便于进行坐标转换。

图1 地铁隧道限界测量技术路线流程图

使用FaroX330三维激光扫描仪对轨道隧道(地下空间)进行三维扫描，根据隧道半径设置扫描分辨率，并确定扫描间隔距离，以2.6 m半径隧道为例，需要每隔15 m设一个扫描测站，设置1/4扫描分辨率，7 min一个测站。此外，在地面扫描仪两两测站之间摆设3个以上不共线靶球，保证相邻两站可以扫描到，便于进行数据拼接。

四、点云数据处理

基于外业采集的点云数据，本文根据扫描过程中两两测站中的靶球可以精确地对多个测站的点云数据进行拼接，设置中间测站为全局参考站，然后使用点云数据处理软件完成拼接。此外，为了保证点云精度同时去除多余重复点云，本文使用海达三维激光点云处理软件对点云数据按距离过滤完成去噪。如图2所示。

图2 拼接去噪后的隧道点云-按照强度渲染

此时的点云数据为相对坐标，需要通过2个以上大靶球中心点坐标对，计算点云坐标系到大地坐标系的转换参数(包括平移量和旋转量)。通过该坐标转换参数，将点云坐标转换为大地坐标。至此，完成点云数据预处理。

五、限界检测分析

在不同的应用中，地铁隧道限界测量分析要求各异，本文使用的隧道限界分析处理软件支持多种截面数据提取方式：可以进行对应截面上8：00或10：00方向特征数据的提取。如图3所示，提取了8个特征点数据，即左上点、左中点、左下点、右上点、右中点、右下点、顶板底标高和地板顶标高。该软件支持提取指定左右两边相对高度位置上下20 mm厚度最不利点，支持提取顶板底标高和地板顶标高中心线左右25 mm以内最内界点，极大地提升了检测的准确性。

图3 截面数据特征点示意图

1.隧道中心线生成

依据行业标准及相关资料，隧道中心线是进行截面控制的基础，同时其数据精度直接影响到后期点云分析的结果。

首先，通过隧道设计数据，进行隧道中心线基础数据的获取，即隧道设计平曲线和竖曲线数据。竖曲线是指纵断面上相邻两条纵坡线相交的转折处，为了行车平顺连接两纵坡线的曲线；平曲线是指连接直线转弯处的曲线。

其次，通过隧道限界处理软件读取平曲线和竖曲线相关参数，如图4所示，从而精确生成隧道中心线，如图5所示。

图4 隧道限界分析处理软件界面

图5 隧道中心线效果示意图

2.隧道断面参数设定

如图4所示，本文使用的隧道限界处理软件是一键智能处理软件。在操作界面上，可根据不同的项目分析的密度需求，设置相应的断面控制点。结合上一步生成的隧道中心线数据，可以方便地对截面位置(里程值)进行设置，该软件支持用户自定义设置截面密度(如3 m/个)；同时支持用户批量添加、删除感兴趣的断面里程值。此外，根据待分析的点云情况，支持用户自定义设置点云截面裁切厚度及隧道段属性，如线路名、里程范围等。如图 6所示。

图6 提取隧道断面点云效果

3.成果报表输出

一键分析处理完毕，支持将最后的分析成果输出成符合行业标准的表格。各项输出参数包括里程、坐标、位置、线路中线至左侧的横距、线路中线至右侧的横距，顶板底标高和底板顶标高等，如图7所示。

图7 线路横断面测量成果

本文作了相关示例分析，根据输出的成果数据，可以直观地统计出左侧宽度差、右侧宽度差、总宽度差，以及误差差值的情况，如图8所示，横轴为截面位置(里程值)编号，纵轴为全站仪实测长度与三维扫描仪实测长度作差值，其中宽度的单位为mm。

图8 成果数据示例分析

六、结束语

本文提出的隧道限界测量技术解决方案已经用于实际地铁隧道限界检测项目，为隧道检测、监测、维护管理提供高效可靠的检测和分析手段。总的来说，该解决方案利用地面三维激光扫描仪，结合自主研发的海达三维激光点云处理软件及隧道限界分析处理软件进行大数据点云分析，智能地生成隧道中心轴线及进行断面分析，在提高作业效率的同时提取出了更为准确的断面成果数据及相关符合行业标准的表格。此外，结合各项成果还可以进行后续的隧道模型构建，以及隧道变形分析和隧道信息挖掘等相关应用。

[1] 滕志远.大数据量机载激光点云快速浏览技术研究[D].北京：首都师范大学，2011.

[2] 中华人民共和国建设部.GB 50308—2008城市轨道交通工程测量规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[3] 国家质量监督检验检疫总局等.GB 146.1—83.标准轨距铁路机车车辆限界[S].北京：中国标准出版社，1983.

[4] 国家标准局.GB 146.2—83.标准轨距铁路建筑限界[S].北京：中国标准出版社，1983.

[5] 曹体涛.基于智能型全站仪的隧道断面自动测量方法及其软件的研究[D].成都：西南交通大学，2008.

[6] 李儒英.地铁限界检测系统研究[D].成都：西南交通大学，2008.

[7] 杨赫.高速铁路隧道限界及断面检测技术的研究[J].中国新技术新产品，2012(10)：44-45.

[8] 田葆栓.对铁路限界的分析与思考[J].铁道货运，2010(8)：13-18.

[9] 秦至红，宁升安，龙兆春.BJSD-2型激光限界检测仪在隧道施工检测中的应用[J].铁路航测，2002，28 (3)：43-44.

[10] 滕金龙，于炳炎.激光隧道限界仪在公路隧道初衬轮廓断面检测中的应用[J].公路，2003(8)：163-165.

[11] 杨俊志，尹建忠，吴星亮.地面激光扫描仪的测量原理及其检定[M].北京：测绘出版社，2012.

[12] 李儒英，吴积钦，曾明.基于激光测量的地铁限界检测系统[J].都市快轨交通，2007，20(5)：70-73.