地铁工程测量中三维激光扫描技术的应用

地铁工程测量中三维激光扫描技术的应
用
摘要：三维激光扫描技术可以实现非接触式测量，适应复杂施工环境下的测
量作业，测量精度高，对地铁工程地下工作环境适应性强。

本文结合某地铁工程
项目，简要介绍了三维激光扫描技术的原理和优点，并具体研究了三维激光扫查
技术在地铁工程测量中的应用。

关键词：地铁工程测量；三维激光扫描技术；应用
导言
在中国城市化深入发展的过程中，城市轨道交通系统已成为城市基础设施的
重要组成部分。

在轨道交通系统中，地铁无疑占据着头部的位置。

这是因为当运
营轨道建在地下时，在绝大多数情况下（除了强降雨导致地铁站回流等极端情况），地铁列车的运营不会受到地面因素的影响。

在短短几分钟内，一列火车将
停靠在每个地铁站，在缓解城市交通压力方面发挥着不可替代的作用。

为了保证
地铁的安全，地铁工程的整体质量至关重要。

总体而言，地铁项目通常建在建筑
物和结构密集的地下。

它们不仅要求高精度，而且容易受到施工路线长、施工单
位多等因素的影响。

本文主要分析了三维激光扫描技术在地铁工程测量中的应用。

1三维激光扫描技术原理及优点分析
1.1技术原理
三维激光扫描技术是测绘领域的一种高精度、三维、自动化的扫描技术，可
以高效、准确地获得连续、全面、相关、密集的物体表面坐标数据和图像信息。

它是继GPS技术之后出现的一种新的测绘方法[1]。

三维激光扫描技术的原理如
图1所示。

以激光为介质，通过计算输出激光的反射时间来计算单个点之间的距离。

基于激光的比反射获得被测量物体的其他相关信息。

同时，通过多点测量可
以获得不同点的坐标信息、反射率信息等，并在短时间内获得被测物体的综合信息。

在此基础上，建立三维体积模型[2]。

与全站仪或GPS等技术手段相比，三
维激光扫描技术在数据采集效率上具有明显优势，可以实现多点测量，从而形成
基于三维数据点的离散三维模型数据场，有效弥补了传统测量手段的片面性和局
限性。

1.2优势分析
三维激光扫描技术作为测绘领域较为先进的技术，集各种测量仪器功能和先
进技术手段于一体，在地铁工程测量中发挥着重要作用。

与传统的测量方法相比，3D激光扫描技术的优势主要表现在以下几个方面：测量效率高，测量速度在
0.5m/s以上，在大型项目和工期紧的项目中使用3D激光扫描可以取得良好的效果；测量点的密度很高，每个横截面有500多个采样点，从而产生更全面的数据
信息。

适用于测量环境复杂或工作面较大的工程项目；截面测量的间隔可以独立
设置，使其更适用；所获得的测量结果众多且全面，并且可以以任何间隔获得多
个截面图像。

可以在隧道表面上测量激光图像；测量结果具有广泛的应用范围，
在线路侵入、管片错位、裂缝、管环收敛、隧道渗水等领域具有参考价值；在不
需要接触测量目标的情况下，可以实现无损检测，而不会对测量目标产生负面影响，特别是在一些危险的工作环境中，这可以将操作人员的风险降至最低；仪器
安装有很高的自由度。

与全站仪等传统设备相比，不需要进行定线操作，这意味
着不会发生定线误差。

此外，架设地点可以灵活选择，环境影响因素较小。

2三维激光扫描技术在地铁工程测量中的应用
2.1基本测量数据的采集
具体应用于地铁工程测量时，技术人员应首先完成仪器设备扫描参数的设置。

在上述项目中，第一步是技术人员充分参考同类型项目的相关经验，然后对项目
的实际情况进行全面评估。

最后，他们决定将质量评估参数控制为4X，并将分辨
率设置为1/5。

此外，所有站点的测量时间控制在395秒，误差波动范围不超过
5秒。

在第二步中，在确定目标球的位置和仪器设备的位置时，技术人员认为
P403D激光扫描仪的高精度测量范围有限。

因此，为了确保采集数据的准确性，
决定将相邻测量站之间的距离控制在30米。

在上述项目中，共设置了6个测量站，每个测量站的两端都放置了不同数量的目标球。

此设置的目的是更清楚地区
分测量范围。

然而，需要注意的是，放置在两个相邻测量站之间的目标球的最大
数量不能超过3个，并且在同一平面上只能设置一个目标球。

否则，随着目标球
数量的增加，测量精度将逐渐降低。

2.2数据的深度处理
基于3D激光扫描仪获得的地铁工程相关数据都是“基础数据”，容易产生
大量干扰信息。

因此，有必要依次完成以下四个步骤中的数据处理。

使用徕卡
P40仪器附带的软件将数据处理为“点”和“云”。

此外，该配套软件还可以实
现测量站的“拼接”；在处理原始数据中的“噪声”干扰信息时，可以使用Cyclone软件有效地去除所有噪声信息。

在完成上述基本处理后，技术人员可以
构建三角网络模型，然后使用Geomagic软件并选择适当的参数，围绕点云数据
完成三角网络模型的构建。

在此基础上，将TIN模型中的数据与基于全站仪设备
手动获得的数据信息进行比较。

设置此数据处理阶段的目的是比较和评估3D激
光扫描测量技术和手动测量技术的结果的准确性，以验证测量结果。

具体要求是
两种测量方法对应的测量结果之间的偏差不得超过22mm；提取地铁隧道的中心线时，需要在中心线的法线方向上每两个圆形段完成一个DWG格式的截面输出；3D
模型的输出需要通过CAD软件来实现。

具体要求是以截面图的中心点为基点，共
选择5个区域，包括顶部、右侧、左侧、左侧45°和右侧45°，测量半径。

2.3数据分析
本项目选用的三维激光扫描仪获取的数据信息，经过处理和分析，全面反映
了隧道断面的空间信息，尤其对隧道变形监测具有重要作用。

根据本项目收集的
数据信息和数据处理结果分析，中心轴线与工程设计轴线的最小误差为2mm，最
大误差为7.5mm，均符合地铁工程施工标准；与不同环半径和工程设计半径相比，最小误差为0.3mm，最大误差为4mm，均符合地铁工程施工标准；管片拼装的最
小误差为22.5mm，最大误差为26.3mm，管片拼装的标准要求是直径偏差不应超
过±6‰D。

本工程最大允许偏差为27.0mm，也符合要求。

2.4测量结果分析
经过场扫描和数据预处理，构建了以隧道轴线方向为X轴的坐标系。

在轴的
正交方向上以1m的间隔拍摄点云切片，并在切片拟合后提取中心坐标和半径。

通过提取隧道圆的中心坐标和半径信息，可以确定提取的隧道的半径、中心轴线
和设计半径与中心轴线之间的差。

根据测量结果，提取的中心轴与设计的中心轴
之间的最小误差为2mm，最大误差为23mm；提取的半径与设计半径的最小误差为0.3mm，最大误差为4.0mm，均符合地铁建设标准。

根据隧道的收敛准则，在0°、90°、180°和270°方向上进行了样条曲线拟合分析。

结果表明，0°方向的管
片半径值为2.4766m，90°方向为2.575m，180°方向为2.773m，270°方向为27.96m；纵向平均半径为2.7481m。

经过拟合分析，收敛半径在0°、90°、180°和270°方向上存在明显差异。

横向平均半径大于纵向平均半径，圆曲线拟合半
径的偏差方向基本相同。

结语
综上所述，三维激光扫描技术应用于地铁工程测量作业优势明显，不仅能适
应复杂的工作环境环境，测量数据精度高，测量工作效率高，可以快速快速构建
三维数据模型，有利于地铁建设活动重要参考价值。

参考文献
[1]邓斌，房雪玲，邰贺.地面三维激光扫描技术及其在工程测量中的应用探
究[J].名城绘，2019(8):69.
[2]陈兵.三维激光扫描技术在地铁隧道限界测量中的应用[J].南方国土资源，2018(8):42-45.
[3]彭文.浅谈三维激光扫描技术与BIM技术在工程测量中的应用[J].地矿测
绘(2630-4732),2019(4):117-118.
[4]张胜军，杨志刚，康妍斐.三维激光扫描技术在地铁隧道断面测量中的应
用[J].测绘与空间地理信息，2019，242(6):207-210.。