地铁工程测量中三维激光扫描技术的应用

1引言
在我国城市化深度发展的过程中,城市轨道交通系统成
为城市基础设施的重要组成部分。

而在轨道交通系统中,地铁无疑占据头部位置。

这是因为:当运行轨道建设在地下之后,在绝大多数情况下(除了强降雨引起的地铁站倒灌等极端情况),地铁列车的运行不会受到地面因素的影响,短短数分钟内,便会有一趟列车停靠在每一个地铁站,在缓解城市交通压力方面具有不可替代的作用。

为了保证地铁安全,地铁工程的整体质量是重中之重。

总体来看,地铁工程一般修建在建筑物、构筑物较为稠密地区的地下,不仅对精度要求较高,还容易受到施工路线长、施工单位多等因素的影响。

本文主要围绕三维激光扫描技术在地铁工程测量中的应用展开分析。

2
三维激光扫描技术简析
2.1
三维激光扫描技术的原理
三维激光扫描技术是近年来得到广泛应用的技术。

这种
技术又被称为“实景复制技术”,主要原理为向被扫描区域发射激光,之后根据被测量对象表面的三维坐标数据,实现对空间点位信息的采集,能够在极短时间内构建被测物体的三维影像模型。

三维激光扫描技术的测距方法为:三角法、脉冲法和相位法。

2.1.1
三角测距法
三角测距法的原理如图1所示。

从图1可以看到,激光发射器首先发出测量用的光束,光束经过扫描棱镜之后被折射,之后更改传播方向;在与被测物接触之后会发生反射(反射的方向不止一个),与光被扫描棱镜折射后的传播方向在某个方向呈现出对称关系的反射光会被透镜接收。

至此阶段,扫描棱镜折射后的光线传播方向中,扫描棱镜到被测物被测点位的距离,被测物被测点位被透镜接收的反射光方向直线中,被测物被测点位到透镜之间距离,扫描棱镜与透镜之间的基线三
者共同构成了一个三角形。

扫描棱镜到被测物被测点位的距离线与基线之间形成的夹角为γ,基线与被测物被测点位到透镜之间的距离线形成的夹角为λ。

由于扫描棱镜与透镜的布置位置是确定的,故扫描棱镜到透镜之间的距离———基线的长度是确定的,可以L 表示。

根据初中数学三角形相关知识,在确定三角形1条边的长度和3个内角各自的角度之后(在角度γ和角度λ均确认之后,根据三角形内角和定理,最后一
【作者简介】杨晨辉（1991~），男，河南周口人，工程师，从事工程测
量、界线与不动产测绘及航空摄影测量研究。

地铁工程测量中三维激光扫描技术的应用
Application of 3D Laser Scanning Technology in Metro Engineering Survey
杨晨辉
（安徽开阳工程勘察有限公司，安徽六安237300）
YANG Chen-hui
（Anhui Kaiyang Engineering Survey Co.Ltd.,Lu'an 237300,China ）
【摘要】围绕三角形法、脉冲信号法两种方式，对三维激光扫描技术的原理进行了分析。

针对地铁工程测量中常出现的信号干扰
问题、人工测量难度较大问题，从三维激光扫描技术在测量仪器的选择、基础测量数据的获取、数据的深度处理及数据的分析4个方面提出相应的解决策略。

【Abstract 】This paper analyzes the principle of three-dimensional laser scanning technology around triangle method and pulse signal method.
Aiming at the problems of signal interference and difficulty in manual measurement in subway engineering survey,this paper puts forward the countermeasures from four aspects:the selection of measuring instruments,the acquisition of basic measurement data,the deep processing of data and the analysis of data,and solves the common problems in other subway engineering survey technologies.
【关键词】地铁工程测量；三维激光扫描技术；测量点位
【Keywords 】subway engineering survey;three-dimensional laser scanning technology;measuring point 【中图分类号】U231+.1
【文献标志码】B
【文章编号】1007-9467（2023）05-0113-03
【DOI 】10.13616/ki.gcjsysj.2023.05.029
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个角的角度可通过计算获得),三角形的另外两条边距离可以求得。

以此为基础,在明确扫描棱镜、透镜的三维坐标位置、两个点位到被测物被测点位之间的距离的情况下,根据三维空间坐标公式,被测物被测点位的三维空间坐标也可通过计算而得出。

总体而言,这种以三维激光扫描技术为基础,构建三角形后获得被测物被测点位的三角法应用于测量距离和空间坐标时,一般适用于近距离测量———大到几米、小到几厘米的距离参数均可精确获得,精准度最小可达到微米级[1]。

激光发射器扫描棱镜被测物
基线
透镜
λ
CCD
γP
图1
三角测距方法的原理
2.1.2
脉冲测距法
脉冲测距法的主要原理如图2所示,具体的测量逻辑与三角形测距法类似,是指通过测量发射和接收到的激光脉冲信号之间的时间差,以间接的方式获得被测目标的距离。

具体的公式为:
S =12
C Δt (1)
式中,S 为扫描棱镜与被测目标(被测点位)之间的距离;C 为指脉冲光束的速度,常规取值即为标准光速;Δt 为激光脉冲信号从发射到回收之间的时间差。

由于涉及脉冲光束的往返,故式(1)中需要加上“1/2”这一参数。

这种三维超声扫描测量方法适用于远距离的距离测量,短则数十米,长则上百千米。

但需要注意,这种测距的精密程度相较于三角形测量法较低,仅达到厘米级。

综合来看,现阶段,大多数三维激光扫描测量仪器设备均普遍应用于脉冲测量。

激光发射器接收器
扫描棱镜
目标
图2
脉冲测距法的原理
2.2三维激光扫描技术的应用优势
上文所述的两种三维激光扫描测量技术应用于地铁工程
测量时,为了保证测量结果的准确性,技术人员会将仪器设备、控制值设备、计算机等设备构建成三维激光扫描测量系统[2],三者之间的逻辑关系如图3所示。

该系统的主要应用优势体现在以下几个方面:(1)测量效率较高,平均测量速度可达0.5m/s 。

在某些工期紧、任务重的大型地铁工程中应用三维扫描技术,能够取得良好的测量效果。

(2)测量点密度较大。

据笔者在无锡某地铁施工项目的经验,三维激光扫描技术应用于地铁工程测量时,在选定断面之后,平均每个断面布置的采样点数量能够达到数百个,获得的数据信息更加全面且相互之间可以作为佐证。

特别是对一些环境较为复杂、作业面较大的工程项目,如果采样点数量偏少,最终得到的检测结果并不一定可靠。

(3)通过三维激光扫描方式,地铁内任意位置、任意间隔的断面图可准确、清晰地
生成,有助于工作人员更加清晰地观察地铁隧道各区域的实际情况,对确定及排除安全隐患均具有不可估量的作用。

测量对象
垂直反射镜
水平反射镜
发射和返回的激光束
扫描头
接收器
激光发射器
扫描控制模块
距离测量模块
控制器
A/D
A/D
相位时间反射强度
计算机总线
计算机
微处理器存储器
图3广泛应用于地铁工程测量的三维激光扫描
测量系统逻辑关系图
3
三维激光扫描技术在地铁工程测量中的应用
3.1
测量仪器的选择
某地铁工程测量项目选用的仪器设备为:(1)徕卡
ScanStation P40超高速三维激光扫描仪,具体如图4所示。

该设备的主要特点为:扫描速率高达1000000点/s ,超高速的
扫描可缩短作业时间。

除此之外,高精扫描距离可达270m ,能
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够满足大多数扫描任务[3]。

(2)徕卡TS50全站仪,搭配Cylone 数据分析软件。

总体来看,测量仪器的精准程度较高,在25m 范围内的测量距离误差不超过±2mm ,最大扫描点数量可超过90000个。

图4徕卡ScanStation P40超高速三维激光扫描仪实物图
3.2基础测量数据的获取
具体应用于地铁工程测量时,技术人员首先应该完成仪
器设备扫描参数的设定。

在上述工程中,第一步,技术人员充分参考了同类型工程的相关经验,之后深入评估了工程实际情况,最终决定将质量评估参数控制为4X ,分辨率设定为1/5。

除此之外,所有测站的测量时间均控制在395s ,误差上下波动范围均不超过5s 。

第二步,技术人员在确定标靶球的位置以及仪器设备的位置时,考虑到P40三维激光扫描仪的高精测量范围是有限的,故为了确保所采集数据的准确性,决定将相邻两个测站之间的距离控制在30m 。

在上述工程中,设置的测站数量共计6个,并在每一个测站的两端分别摆放数量不等的标靶球。

这样设置的目的在于,可以更加清晰地分辨出测量的范围。

但需要注意,两个相邻的测站之间放置的标靶球的最大数量不能超过3个,且同一个平面只能设置一个标靶球,否则随着标靶球数量的增加,测量精度会逐渐下降。

3.3数据的深度处理
基于三维激光扫描仪获得的地铁工程相关数据均属于
“基础数据”,其中容易夹杂大量干扰信息。

因此,需要依次按照以下4个步骤完成对数据的处理。

1)使用徕卡P40仪器自带的软件对数据进行“点”和“云”的处理。

不仅如此,该配套软件还可以用于实现对测站的“拼接”。

2)针对原始数据中的“噪点”干扰信息进行处理时,可以使用Cyclone 软件,能够将所有噪点信息有效清除。

在完成上述基础处理之后,技术人员可搭建三角网模型,之后使用
Geomagic 软件并选择合适的参数后,围绕点云数据完成三角网模型的构建。

以此为基础,将三角网模型中的数据与人工基于全站仪设备获得的数据信息加以比对。

设置这一数据处理环节的目的在于:可以对三维激光扫描测量技术、人工测量技术结果的准确性进行比对、评估,从而验证测量结果。

具体的要求是,两种测量方式对应的测量结果之间的偏差不得超过22mm 。

3)针对中心线进行提取时,地铁隧道中心线的法线方向上,每间隔两个环片,便需完成一个DWG 格式断面图的输出。

4)三维模型的输出需要经由CAD 软件实现,具体的要求为:以断面图的中心点位作为基点,选择正上方、正右方、正左
方、左侧45°、右侧45°共计5个区域,测量半径。

3.4数据的分析
在上述工程中,技术人员使用徕卡P40三维激光扫描仪
器,获得数据并进行处理后,得到的结果是能够较为准确、详细地反映出地铁隧道内的空间信息。

一个普遍的认知是,这种技术在隧道变形监测方面能够发挥较为显著的作用。

最终总结出的结论是:地铁隧道的中轴线与工程设计轴线之间的误差最小值仅为2mm ,最大值达到7.5mm ;不同环半径与工程设计半径相比,误差的最小值仅为0.3mm ,最大值可达到4mm 。

上述误差均符合地铁工程建设标准。

除此之外,管片拼装方面的误差均未超过最大允许值。

4结语
综上所述,三维激光扫描技术应用于地铁工程时,能够有
效克服地铁隧道内的恶劣环境,获得较为准确的数据并进行分析。

不仅如此,测量项目全程处于快速、高精度、高效率的状态下,有助于在短时间内构建出三维数据模型。

总体来看,这种技术应用效果好、前景广阔,适合在地铁建设中大范围推广使用。

【参考文献】
[1]李旭.三维激光扫描技术在地铁隧道竣工测量中的应用[J].测绘通报,2022(6):166-169.
[2]邓丽.三维激光扫描技术在地质测绘和工程测量中的综合应用探讨[J].世界有色金属,2021(8):159-160.
[3]唐汝煊.关于三维激光扫描技术在地质测绘和工程测量中的综合应用[J].信息系统工程,2020(7):67-68.【收稿日期】2022-09-28
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