三维激光扫描技术支持下的地铁工程测量实施方法

施秋劼

（北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101）

一、三维激光扫描技术

（一）系统原理

目前，三维激光扫描技术发展速度比较快，所涉及的应用学科比较多，有着较强的学科应用优势。但是传统的工程测绘技术相比，三维激光扫描技术在工作模式上有着一定的差异性，该技术的应用能够完成大规模范围内的数据采集，进而获得三维空间坐标数据，提升测量的精准性。三维激光扫描技术是扫描仪通过发射高频激光脉冲，测量每个激光脉冲从发出经被测物体表面返回仪器所需的时间差来计算距离S，同步测量每个激光脉冲横向角度值α 及纵向角度观测值θ，以仪器中心为坐标原点，按下式可计算出采样点的三维坐标：

在运用该技术的过程中，在考虑测量点三维空间坐标数据准确性时，工作人员要先明确测量点至设备之间的实际距离，同时还要注意，在对相同的测量点进行不同方式的测距时存在不同的精度。因此，工作人员务必要深入探析该技术的系统原理，以便优化选择最适合的测距方式，有效提升设备测量精准度。

（二）数据结构特点

通常情况下，三维激光扫描技术是利用直线数据采集方式进行数据采集，具备一定的次序关系。通过扫描获得云数据构成像素点，具体的排列方式主要是根据矩阵的方式进行依次排列。在市政道路工程中应用三维激光扫描技术，既能够获得目标区域内的相关信号，同时还能够获取相关的激光反射强度信息、颜色信息以及空间坐标等，以此明确更加精确的扫描数据。一般情况下，数据是通过保存为纯文本TXT的格式进行储存的，该技术的应用能够在获取相关空间数据时体现出密度高、数据量大以及立体化的特点。除此以外，工作人员应建立三维数字模型，经过相关的数字处理评估流程，充分发挥在数据采集工作中的应用价值。

二、三维激光技术在工程测量中的应用分析

（一）测绘地形图

现如今，三维激光扫描技术广泛应用于道路工程地形图测绘中，在开展道路工程测绘工作的过程中常常受到一些条件的限制，包括交通复杂、车流和人流众多等，尽管测绘人员能够在实地开展测绘工作，但事实上对于自身安全有着极大的隐患。而三维激光扫描技术的应用能够代替人工实地测绘，高效地完成道路地形的测量以及绘制工作，此举对于减轻人工的压力，降低人工成本有着重要

意义。道路工程地形图测绘中三维激光扫描技术的应用主要可以分为三个步骤，首先是用三维激光扫描进行测量，进而获得相应的数据，其次是针对数据开展相应的处理工作，最后便是将地貌提取出来，便能够获得较为精确的地形图。

（二）道路工程等高线生成

三维激光扫描技术的应用能够助力道路工程等高线的生成，主要便是在原有的地形图上去除掉一些无关紧要的建筑以及植被等地物。以往在获取道路工程等高线的过程中，通常都是采用自动以及人为的方式将无关地物除去，进而得到相应的地貌图，在完成数据计算工作之后，上传以及处理，周而复始，便可最终在构建不规则三角网的基础上获得相应的等高线。三维激光技术相比上述传统的等高线获取方法具有更多的优势，包括精准度更高、工作量更少，所得出的地形地貌更加清晰。

（三）计算土方工程

土方工程中目前最常用的测量方式就是三维激光扫描技术。之前常用的测量方式有全站仪、GPS 等等，通过这些技术获取目标地面高程的差异信息，从而通过数据建立TIN 模型，最终计算出土方量。采用这些传统的技术采取的数据精确度低，而消耗时间长，实际采样的间隔大。然而三维激光技术的应用，能够使得数据精确度高，时间少，工作效率大大提升，保证土方工程的计算结果的准确度。测量过程中，首先需要构建基准面，使工程项目的坐标系与真实数据相匹配，从而构建好三角网模型，与基准模型相减，最终得到土方量的准确数据。三维激光扫描技术在土方工程计算中发挥着重要的作用，能够打破传统的测量方式，避免出现错误，从而大大提升工程项目建设的效率，还能降低成本，为建设工程带来经济效益，这是我国土方工程中的一重大突破性进展。

（四）道路工程变形监测

将三维激光扫描技术应用于道路变形监测中，能够构建起更加系统的道路三维数据模型，针对整个道路开展周期性扫描工作，进而获得点云数据，同时通过设备内部处理器的应用，将相关数据导入到Geomagicstudio 内，可以建立起更加具体的三维数据模型，高效开展数据采集、处理以及评估等工作。在进行数据采集的过程中，将三维激光技术设备安置在所要勘测道路的周围，确保测量视野的开阔性，在道路周围设置六个数据采集点。在进行数据处理过程中，工作人员主要从以下三方面入手，首先对于点云数据的拼接和纠正，其次是点云数据的滤波过程，最后是数据的缩减过程。针对点云数据开展与处理的工作中，大多是运用人工的手段删除多余的测量点，然后需要分析点云数据的误差，依据误差理论展开探究。

（五）构建三维模型

三维激光扫描技术还应用到了文物保护工作中，它能在不触碰文物的情况下进行测量，从中获取相关的云数据，根据反馈的数据模型，构建出精确三维形状，还原文物的基本特征和文物的纹理特点，为文物的保护起到重要的作用。

三、三维激光扫描技术在实际工程中的应用

（一）工程概况

深圳市城市轨道交通14 号线沙湖站位于坪山大道与荣昌路交叉口，沿坪山大道东西方向布置，为地下双层岛式曲线车站，与规划地铁19 号线通道换乘。车站主体长288m，中心里程为DK38+122.358，车站有效站台长度186m，车站左线线路中心线半径为1500m，车站范围内顶板现状覆土厚度为2.9～3.2m。车站主体结构采用明挖法施工，主体基坑外围周长638.781m，基坑深度为17.55m～19.16m，标准段基坑宽度为21.83m，盾构段基坑宽度为26.6m。围护结构采用φ1000mm@750mm 钻孔咬合桩，设置三道支撑，采用坑内降水方案。

（二）施测组织

沙湖站车站主体长288m，测量作业前收集了地下控制点数据等资料。为保证测站拼接的准确性，使相邻测站保持一定的影像重叠度，根据隧道环境和地下控制点分布情况预计共需测量52 站、使用了黑白平面标靶24个。

三维激光扫描遵循相邻测站使用不低于3 个公共靶球连接的形式，用全站仪获取黑白平面标靶中心的坐标后进行绝对坐标转换。本次扫描按每站小于30m 实施，黑白平面标靶距离扫描仪均小于15m。扫描时靶球和平面标靶均保持静止。

（三）数据预处理

本次扫描共完成52 站，设置平面标靶24 个，共获取31GB 外业数据。利用公共靶球的高对比度的特性实现扫描影像的定位以及扫描和影像之间的匹配，选取靶球作为拼接的公共参照点，利用TrimbleRealWorks 中的自提目标配准功能并结合手动目标分析器功能利用相邻测站的公共靶球进行测站配准拼接，使相邻点云数据统一到同一相对坐标系下；测站拼接完成后导入全站仪获取的平面标靶中心坐标，以平面标靶中心坐标为基准将获取的全部点云数据统一至绝对坐标系中；经检查，各测站最大配准残差为3.16mm，总体残差为2.33mm，满足本次测量的要求。因受测站周边环境影响，所获取的点云存在与反射面有关的干扰数据，影响后续的断面切片拟合的精度。利用TrimbleRealWorks的点云分割工具对点云噪点进行标记分类并剔除，提取属性相同且临近隧道壁的点云后进行要素分离和要素识别，然后作为下一步处理的基础数据。为降低工作站数据处理的负载，优化数据处理的进度，对本次获取的点云数据按50%的比例进行取样抽稀后满足后续获取该区间任意截面数据的要求。

（四）点云切片提取拟合

以录入的曲线参数为依据，从相邻环片拼接处提取点云切片数据，间距为1.5m，共提取1615 个切片数据。点云断面切片数据提取完成后，对已提取的切片进行拟合，从而得到各拟合点至线路中线的横距及隧道顶底高程信息，同时可获取隧道中线的逐桩坐标值。拟合完成后逐步输出设备限界、管片错台、渗漏水等数据。

（五）设备限界处理

广州地铁18 号线是广州首条时速160 公里的市域快线，整列车采用8节编组D 型车。设备限界位于车辆限界外的一个轮廓线，是用以限制设备安装的控制线。限界的基准坐标系：垂直于直线轨道线路中心线的二维平面直角坐标，横坐标轴（X 轴）与设计轨顶平面相切，纵坐标轴（Y 轴）垂直于轨顶平面，该基准坐标系的坐标原点为轨距中线点。

将D 型车限界信息输入数据处理平台，经软件自动分析万横区间右线各环限界值，共计形成1615 个限界信息数据，统计紧张限界最小值。

（六）管片错台处理

盾构法施工小曲率半径隧道时，掘进施工轴线控制较难，很容易造成盾构偏离轴线以及纠偏困难等问题，影响隧道施工速度及管片拼装及隧道结构质量。在盾构施工中，盾构管片是盾构施工的主要装配构件，是隧道的最外层屏障，承担着抵抗土层压力、地下水压力以及一些特殊荷载的作用。盾构管片质量直接关系到隧道的整体质量和安全，影响隧道的防水性能及耐久性能。此类问题会影响隧道走向、净空，还会引起管片破裂并破坏管片结构，从而给隧道的防水带来隐患。

将预处理后的点云切片数据输入至数据处理平台，将隧道截面等分150 份，自动采集相邻管片衔接处的点云数据并自动判断至隧道中线的距离，通过判断距离差值得出管片错台数据。万横区间右线获取共计1615环的管片错台数据。

（七）渗漏水成果处理

隧道的渗漏水会导致混凝土的衬砌风化以及剥蚀，衬砌的结构会受到一定程度的影响；隧道的渗漏水会直接软化围岩，围岩因此变形；部分的隧道所渗出的水中含有侵蚀性，一般的衬砌混凝土以及砌筑砂浆都会因此受到相对程度的腐蚀和损害，衬砌的承受能力大幅度的降低；隧道的渗漏水会导致内部潮湿，影响内部的使用设备，包括通讯、照明、钢轨等设备的正常使用，内部潮湿会降低内部区线路的使用寿命，这样一来就会增长维修的费用。

将获取的全部点云数据形成灰度图像，对于明暗差异较大疑似渗漏水的区域进行系统自动判断结合人工识别的方式进行统计并量测渗漏水发生的区域及面积。经统计万横区间右线共有13 处存在渗漏水情况，渗漏发生面积0.11 m2～10.24 m2不等。

结语：总之，三维激光扫描技术应用前景广阔，是信息化施工的一个方向，同时也是控制成本的一个新技术。三维激光扫描技术凭借更加便捷、精度高以及准确性强等特点，对于道路工程测绘等各方面工作的高效完成有着积极的促进作用。因此，有关人员要加强对该技术的重视程度，加强在道路工程中的应用，以推动我国道路工程的现代化发展进程。