三维激光扫描技术在地铁隧道竣工测量中的应用

中的应用

摘要：隧道断面测量是隧道竣工测量中的一项重要工作，对于隧道施工的精度评价、隧道结构安全监测、验证设计线路符合程度等方面具有重要意义。传统测量方法受采集手段的限制，存在采集速度慢、采集点数据量少、不能全面反映隧道的真实情况等缺陷。随着激光扫描仪技术的发展和进步，其在精细三维数据建模方面具有数据精度高、采集速度快的优势，已被逐步应用到工程测量的多个领域。将激光扫描仪技术应用于隧道竣工测量，能大大提高隧道检测数据的采集速度和精度，并能提供详尽的三维真实影像模型，直观反映隧道内部情况，是隧道检测未来的发展方向。

关键词：激光扫描仪技术；点云；隧道竣工测量 引言

地铁车站竣工测量是指在地铁土建施工结束后对车站内侧墙面位置、高程和结构尺寸进行测量，并通过与设计数据的比对来分析土建工程的施工质量，形成最终成果，为站后设备安装、装饰装修等工程提供综合分析和利用的准确数据。传统的车站竣工测量方法主要采用皮尺、测距仪或全站仪测量车站结构的空间尺寸，这类测量方法存在外业工作量大、自动化程度和测量效率较低、信息获取有限、测量成果较为局部和片面等缺点。三维激光扫描技术具有非接触测量、高分辨率、高精度、高效率、数字化采集、信息丰富等优点，能够快速、全面地获得车站结构表面的三维点云，可生成更为全面、丰富和形象的竣工测量成果，复验车站施工质量(结构和预留孔洞的施工质量以及车站净空)，及时查核或调整装饰装修方案。此外，还可以根据点云逆向建立车站的BIM模型，还原车站各类结构的真实尺寸与净空，为大型设备安装模拟、管线空间优化与合理布留、管线铺设前全方位碰撞检查、结构变形监测、项目信息管理等应用提供完整、准确的、现实性强的基础资料。

1概述

近年来，为了缓解地面道路的交通压力，各大城市都大力发展城市轨道交通。地铁隧道工程属于百年工程，其各个环节的质量要求都非常严格，地铁隧道竣工测量作为日后地铁后续设备安装、运营维护的基础资料，其测量的准确性和数据的翔实程度至关重要。地铁隧道主体结构完成施工之后，隧道的空间位置与设计值会存在一定的偏差，也就是施工误差，这需要对隧道设计线路的平面以及坡度进行适当调整。地铁隧道的竣工测量是隧道建设的一个重要内容，《城市轨道交通工程测量规范》规定竣工测量主要包括线路、沿线设备、地下管线轨道竣工和区间车站和附属建筑结构的竣工测量。传统的隧道结构断面竣工测量主要有吊铅锤法、全站仪极坐标法、断面仪法、摄影测量法，这些方法数据采样率低，实测断面数量有限，只能反映局部的特征，很难高效地进行大范围的检测，且容易受人为因素影响。而地面三维激光扫描系统作为一种集成了多种高新测绘技术于一体的新型综合测量技术，它的出现可以使结构断面竣工测量变得更加快捷、高效，利用三维激光扫描系统生成的三维模型，能让设计方和施工方更直观地了解整个隧道的施工进度，为项目各方提供交流展示的平台，并辅助设计方进行各方面的计算分析。

2三维激光扫描技术在地铁隧道竣工测量中的应用 2.1控制测量

标准地铁车站通常为地下两层(站台层、站厅层)，由底板、中板、顶板、柱及内衬墙组成，建筑面积较大，从几千平方米至几万平方米不等。为控制测量精度，在站台层、站厅层均匀布设控制点，控制点和扫描站点点位可在图纸上进行预设，相邻控制点间距约50m，并应考虑控制点与扫描站点间的通视性，预设后根据现场实际情况进行微调。控制点平面坐标采用闭合导线方式，按四等导线测量的要求进行联测。高程采用闭合水准路线方式，按二等水准测量的要求进行联测。

2.2点云数据精处理

(1)点云数据删除与分类:点云数据剔除是指剔除与竣工测量无关的点云数据;点云数据分类是指使用TＲW或TBC软件的点云自动分类功能对原始点云数据进行分类，以提高点云剔除工作和后续绘图工作的效率。(2)点云数据内符合精度检查:对不同测站采集的同一位置的点云数据之间的重合性进行检查。作业时通过对不同测站的点云赋不同颜色，量取不同测站获取的同一位置点云的竖向距离或横向距离，对点云数据的内符合精度进行分析判断。(3)点云数据抽稀:由于测站附近的点云数据密度较其他位置高，为提高点云数据计算效率，需要对点云数据进行抽稀。

2.3逆向建模

考虑到车站建设施工过程中各类误差的存在，最终建成的实际模型和设计模型间存在不可避免的差异，导致了BIM设计模型的现势性较差，不利于后期的信息化管理。车站三维扫描能够及时有效地获取工程现场真实有效的位置和尺度信息，借助这些信息所建立的BIM设计模型可实现模型与工程现状的连接。利用AutodeskＲevit平台，以实际点云为参照，利用“拉伸”“融合”“旋转”“放样”“放样融合”等命令绘制车站各构件“族”模型，并创建相应的参考面和参考线，最后根据实际点云数据，基于参考线或参考面进行各构件“族”模型的精确定位，以实现车站BIM模型的绘制，如图1所示。根据实际点云生成的车站BIM模型具有良好的现势性，可用于模拟后期电梯等设备的安装，避免不必要的返工。此外，还可用于机电管线铺设方案对比、空间优化及全方位的碰撞检查，及时发现并反馈管线与结构间及各类管线间的碰撞问题，以便进行快速修改，可避免各专业图纸间的不协调，有效减少后期的设计变更及施工返工。

图1地铁车站逆向建模效果 2.4隧道设计数据导入

为实现隧道扫描数据与设计模型的对比，就需要建立隧道设计的三维模型，首先将隧道中心数据导入RealWorks处理软件，利用每米间隔三维坐标数据生成隧道中心的三维轴线；然后在垂直于轴线的平面上绘制一个标准设计断面；最后RealWorks处理软件根据上述两个要素生成隧道的三维模型。在RealWorks主菜单Inspection下选择SurfacetoModelInspection，进入表面到模型检查，根据需要设定断面的间距、起始点和结束点以及采样点的密度等参数，可得到批量断面检测结果。RealWorks处理软件利用色彩来反映整个隧道模型不同程度的偏差。

2.5绘图

TＲW软件与TBC软件中均含有CAD图形绘制功能，其中TBC软件作为综合性测量数据处理软件，其绘图功能更为全面强大，点云数据处理完成后的绘图功能可在TBC中进行。通过结合裁剪盒、点云分类、视图切换等功能绘制提取隧道的结构边线及纵横断面图，形成竣工测量成果图。

2.6点云拼接

常用的点云拼接方法有以下三种:基于控制点的拼接、基于公共特征点的拼接和基于标靶点的拼接。第一种拼接精度最高，可以满足监测精度的需要，第二种方法是依靠人眼来识别曲率、轮廓线等特征，人为因素对结果干扰较大。由于隧道呈狭长结构，布设控制网较复杂，而且控制网狭长几何图形不好，根据误差传播定律，拼接精度有限，所以第一种方法不大适用，而隧道内壁较为光滑，没有棱角、凹凸等特征点，无法使用第二种方法，因此选择布设球形标靶作为拼接标志。

结语

与其他测量方式一样，三维激光扫描仪获得的数据的实际精度也受环境条件制约和影响，在测量过程中必须进行有效的控制和筛选才能得到理想的数据。三维激光扫描技术虽然精度高、数据获取速度快，但数千万乃至上亿个点的数据对计算机硬件、软件处理能力都提出了更高的要求。激光扫描仪硬件技术发展基本成熟，但应用软件的发展相对落后，若想利用激光扫描仪为工程测量服务，就必须拥有成熟的软件，高效率地处理点云数据，这还需要做大量的工作。

参考文献

[1］住房城乡建设部．城市轨道交通工程测量规范:GB/T50308—2017［S］．北京:中国建筑工业出版社，2017．

［2］夏春初，王智，张洪德．三维激光扫描仪在地铁竣工测量中的应用及精度分析［J］．城市勘测，2016(2):129-131．

［3］王令文，程效军，万程辉．基于三维激光扫描技术的隧道检测技术研究［J］．工程勘察，2013(7):53-57．