地面激光扫描技术在城市轨道交通构筑物结构断面检测中的应用

刘弟林

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

近年来，随着越来越多的城市轨道交通线路建成并投入使用，其结构安全检测工作变得愈发重要[1]。传统检测手段多为人工方式按照一定间隔密度采集信息，存在作业效率低，安全风险高，采集的数据只能反映局部特征等不足情况。而三维激光扫描技术可在短时间内获取目标丰富的纹理和结构信息，其构建的二维影像与三维模型能直观地反映城市轨道交通线路相关结构变形情况。目前，脉冲式地面激光扫描仪测距精度可达1 mm，测角精度可达0.004°，测距长度可达6 000 m、激光发射频率可达300 kHz。

已有许多学者进行了相关研究：何桂珍等将三维激光扫描技术应用于隧道收敛检测[2]；张立等研究了基于三维激光扫描技术的隧道相对变形测量方法，并将检测结果与传统检测手段进行比较分析[3-4]。但以往研究多基于同一环内隧道管片进行变形分析，以下将工程绝对坐标系统引入分站式激光扫描中，以获得整条隧道在施工坐标系统下的激光点云数据，使其满足与隧道设计结构断面对比分析的需求[5-6]。

1 激光扫描技术

激光扫描技术的基本原理：扫描仪内部发射激光束，经旋转棱镜反射后射向目标物，遇到目标表面再次反射后被光电探测器接收并生成点云数据(如图1所示)[7-8]。通过伺服器测量目标物与扫描仪间的水平角和垂直角，即可解算出目标物在扫描仪坐标系下的空间位置信息(如图2所示)[9]。

图1 三维激光扫描仪工作原理

图2 扫描系统坐标计算示意

由图2可得到如下关系式

(1)

式中，D为两点间距离值；θ为两点间垂直角；φ为两点间水平角。

依据其测距原理的不同，三维激光扫描技术主要分为脉冲式和相位式2类[10]。

脉冲式测距是根据脉冲激光发射与接收时的往返时间差来计算被测目标的距离。优点：瞬时功率极高，激光能量集中，具有良好的方向性与抗干扰能力，测距范围可达上千米。缺点：扫描速度较慢，测距精度相对较低[11-12]。计算公式为

(2)

式中，D为扫描仪到目标点的距离；c为光速；t为脉冲激光信号往返时间差。

相位式测距依据无线电波段的频率来调制激光束，同时量测出调制光往返过程中的相位延迟，再利用调制光的频率计算该相位延迟所代表的距离。优点：扫描速度快，测量精度高，可到毫米级，适用于近距离扫描或微领域。缺点：测距较短[13-14]。计算公式为

(3)

式中，D为扫描仪到目标点的距离；c为光速；φ为测定的相位差；f为调制光的频率。

目前，随着电子信息技术的不断进步，部分激光扫描设备可以在扫描的同时，采用视觉追踪技术，自动完成点云拼接。通过融合惯导、即时定位与地图构建技术，得到较高精度的位置数据，其轨迹重建准确度较好。

激光扫描技术工程领域方面的主要应用有：地形测量、高铁构筑物测量、铁路限界测量、三维建模、变形监测等[15]。

2 工作流程和数据处理

地面激光扫描包含数据采集、数据匹配、点云数据处理、成果数据输出等流程。

(1)准备工作主要包含2部分：控制点布设和扫描站布设。

(2)采集的原始数据包含多个视点的数据，这些数据需转换到统一的坐标系中，利用控制点及公共部分数据的约束关系，对点云数据进行坐标转换。

(3)数据预处理目标是将扫描过程中的外界条件产生的误差尽可能降到最小。受现场条件限制，有水汽、粉尘等遮挡时，会使扫描数据产生噪声等随机误差，另外，重叠区域观测数据匹配时容易出现误差。因此，在利用数据之前，需要对这些误差进行预处理，可采用手工删除、重叠区域重采样等方法。

(4)激光扫描获取的三维坐标点云数据可制作成果包含构筑物的各种断面、三维模型、特征点要素、大比例地形图等。

3 隧道洞内扫描测量

3.1 洞内精密控制点布设

隧道内控制点为扫描仪测量提供基准，其精度直接决定扫描的精度。扫描过程中，需建立高程和平面控制网， 高程控制点可在车站底板上布设，平面控制点一般采用强制归心标。站内的控制点应至少布设3个，以保证控制点位的可靠性。

(1)平面控制网布设

隧道区间的精密导线网应布设为附合导线(网)，在保证相邻点之间通视的条件下，区间内的导线平均边长不大于150 m，曲线段点间距不小于60 m。

(2)高程控制网布设

隧道区间的高程控制点与导线点共用，采用不低于二等水准的测量方法，与车站底板的水准点联测后，进行严密平差计算获得高程成果。

3.2 洞内多站式数据获取

(1)激光扫描

隧道区间内扫描仪的激光入射角比较大，反射光强度相对较低，对于相位式扫描仪，单侧反射率在20 m内可满足测量需求。结合导线设置的情况，一般扫描仪站间距宜控制在36 m内(这样可确保扫描仪单侧扫描距离控制在20 m内)。扫描仪架设完成后，将标靶架设在距扫描仪3 m范围内(这样既能满足标靶拼接的要求，也能在三维激光点云上观察与选择标靶的中心点)。利用全站仪测量本站至少4个标靶中心点坐标后，采用中密度模式进行扫描，结束后，将扫描仪及标靶移至下一站(如图3所示)。

图3 自由设站三维激光扫描

(2)获取标靶坐标

在导线点上设站，采用全站仪测量标靶中心点坐标。测量时，使用全站仪目镜中的十字丝瞄准标靶的几何中心，按照设定的顺序进行测量(顺时针或者逆时针)。

3.3 扫描仪设站方式

地面激光扫描的默认坐标系是以扫描仪几何中心为坐标原点。目前，先进的扫描仪系统自带倾斜感应器，可以在已知坐标系和扫描仪自身坐标系之间建立一套坐标转化关系，有以下几种设站方式。

(1)扫描仪任意设站

全站仪架设在洞内控制点上，标靶布设在扫描仪附近，用全站仪测量标靶中心点三维坐标。通过严密“七参数转化”，把以扫描仪中心为坐标原点的坐标系转换为已知的坐标系。

(2)全站仪模式

标靶架设在已知点上，扫描仪设于另一个控制点上或者已知方向上，类似全站仪已知后视点的测量方式。该测量方式需要控制点数量少，利用了扫描仪倾斜改正模式，扫描仪获取的激光点就是建立在已知坐标系上的坐标点数据。因此，该类测量方式灵活，适合于不需要拼接的一站式扫描。

(3)导线测量模式

利用扫描仪的倾斜感应器可实现传统导线测量模式，即建立扫描仪和已知坐标系之间的关系。倾斜传感器能够探测扫描仪是否水平，无需拼接大量的标靶。扫描仪一般支持闭合导线和支导线2种模式。

3.4 坐标转换

将地面激光扫描的默认坐标系转换到工程施工坐标系可采用七参数法，该方法考虑了坐标平移(X0，Y0，Z0)、坐标轴旋转(εX，εY，εZ)以及尺度变化，共计7个参数，其在2个不同空间直角坐标系的转换公式为

(4)

进一步可简化为

X″=K×R×X′+X0

(5)

(6)

简化为

(7)

根据式(5)，将n个公共点分别减去式(7)，消去平移参数，则有

(8)

式(8)即为中心化后向量形式的布尔莎七参数严密解算模型。根据式(8)，至少需要3个控制点，实际作业一般选择3个以上控制点。

在隧道扫描过程中，利用设在隧道内控制点上的全站仪测量标靶施工坐标，扫描仪获取标靶的扫描坐标，采用最小二乘法得到7个转换参数的最或然值。一般每站设置4个标靶，在计算过程中剔除残差最大的标靶。

通过七参数法，将扫描的每一站数据转换为统一坐标系内的施工坐标，再把所有站数据拼接在一起，就构成了一条完整隧道点云模型(如图4、图5所示)。

图4 隧道拼接点云模型

图5 隧道拼接点云模型

3.5 精度分析

(1) 标靶扫描精度分析

标靶扫描精度分析是指扫描仪自身获取标靶中心定位精度。在扫描时，扫描仪因测量角度和距离误差，将最终引起标靶扫描定位的误差。地面激光扫描仪标靶扫描定位精度与扫描距离以及反射介质有直接的关系。

选择一块距离监测标识小于20 m的稳定区域，在此区域内设置4个反射标靶，使用HDS6100型扫描仪进行高密度扫描，共计扫描10次，任意选取其中3次扫描数据进行处理，获取监测点中心坐标的差值，如图6所示。

图6 扫描监测点之间的差值统计

在扫描仪距离监测点20 m以内时，标靶扫描的单点精度为3 mm，将测量距离扩大到50 m时，得到标靶扫描的单点精度为5 mm。

扫描仪距离监测点20 m范围内，选取任意5次扫描中的8个监测点坐标进行比较，比较互差得出监测标识的单点与全站仪比较差值为6 mm。将扫描仪距离监测点扩大到50 m，得出监测标识的单点与全站仪比较差值为8 mm。

(2)监测点布置

将全站仪实测隧道特征监测位置与成果模型的测量值进行比较，具体为：对应里程上L1、L2、L3、L4、L5、L6处的距离，以及设计线位的板底(H底)与板顶(H顶)的高度(如图7所示)。

图7 盾构区间模型监测点位示意

通过与设计值比较，可以得到沉降及平面位移量；通过与全站仪实测数值比较，可以计算监测点的变化量精度信息，如图8所示。

图8 监测点精度检核

通过监测点与全站仪实际测量值对比分析可知，高程差值及垂直线位方向上的误差满足《城市轨道交通工程测量规范》相应的要求。

4 结论

在城市轨道交通构筑物结构断面检测中，地面激光扫描技术已达到了全站仪等常规测量仪器的测量精度，其内、外符合精度均满足《城市轨道交通工程测量规范》相关要求，且作业效率远高于常规测量手段，获取的激光点云还可用于限界检测、隧道收敛、错台检测等工作，具有较高的可行性和推广应用价值。