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三维激光扫描技术在城市轨道交通领域的应用

肖青怀1，2 李泳慧1，2 申斌1，2 张景春1，2 陈庆来1，2 张龙龙1，2

（1.北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101；2.城市轨道交通深基坑岩土工程北京市重点实验室，北京 100101）

［摘 要］ 为验证三维激光扫描技术在城市轨道交通领域初支断面、建筑结构限界、管片姿态、椭圆度等检测项目中的测量精度与作业效率，文章通过新型免标靶三维激光扫描仪搭配相应商用软件与传统全站仪法进行比对。结果表明：在初支断面、建筑结构限界测量时，三维激光扫描技术可满足实际工程需要，在数据完整性和侵限点漏判方面具有一定优势；在管片姿态、椭圆度测量时，三维激光扫描技术可精确地建立三维数据模型，提供真实、准确的管片姿态和椭圆度。通过实验可以看出，三维激光扫描技术在轨道交通工程的优势，为其技术的应用和推广提供了一定参考。

［关键词］ 三维激光扫描；轨道交通；测量检测；建筑限界；椭圆度

0 引言

初支断面、结构建筑限界、管片姿态、椭圆度等测量检测是轨道交通施工测量的重要内容［1］，其数据作为后期调线调坡的重要依据。区间贯通前，以区间联系测量成果作为控制点，进行初支断面、管片姿态测量。地铁车站、区间贯通后，以地下贯通测量成果作为控制点进行结构建筑限界、椭圆度测量，并将测量结果作为后续线路调整的依据。常规检测方法均使用全站仪测量，作业效率低、精度低、人工成本高。三维激光扫描技术是利用激光测距来获取目标三维空间信息，具有非接触、高精度、高密度、高效率、全数字化等优点［2-3］，可真实反映实体对象的三维数据模型及相关特性，通过冗余数据可有效提高成果可靠性［10］。李旭等［4］研究了三维激光扫描技术在隧道竣工测量中的应用，验证了天宝SX10扫描仪的作业精度和效率。廖胤齐等［5］利用三维激光扫描技术研究了地铁盾构隧道收敛变形。孔令惠等［6］研究了三维扫描技术在历史建筑保护方面的应用，既提高了作业效率，又保存了完整的模型数据。本文介绍了徕卡MS60扫描仪功能及其作业流程，并对其精度、作业效率和应用场景进行了介绍，结合实例说明三维激光扫描技术的优势。

1 三维激光扫描技术原理

地面型三维激光扫描系统主要通过两个同步反射镜快速而有序地旋转，将激光脉冲发射体发出的窄束激光脉冲依次扫过被测区域，测量每个激光脉冲从发出经被测物表面再返回仪器所经过的时间（或者相位差）来计算距离，同时内置精密时钟控制编码器，同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值

图1 三维激光扫描仪扫描示意图

点云的三维坐标在三维激光扫描仪确定的左手坐标系中定义，

式中，XP、YP、HP表示点云各方向坐标；

徕卡MS60扫描仪采用Leica MergeTEC技术，高度集成三维激光扫描技术、超高精度测量技术、数字影像技术，全球卫星导航系统（global navigation satellite system，GNSS）技术。每秒可扫描30 000个点，测角精度为0.5″，测距精度为：1 mm+1.5×10-6

在轨道交通领域中一般暗挖工法施工的隧道、车站需要进行初期支护（简称：初支），初支作为隧道的主要受力结构，具有一定的厚度；二次衬砌作为补充受力结构，也具有一定的厚度。为保证行车安全和结构安全，需要对初期支护的断面进行限界测量，以保证二次衬砌的厚度和整体结构不侵限。传统方法使用全站仪进行断面测量，测量前需要输入线路参数和断面形状，测量时在断面所在里程上均匀选取8～16个点，根据设计值和观测值的径向较差来判断初支是否侵限［9-12］。三维激光扫描测量技术可获取到整条隧道初支结构面域的所有数据，根据里程自行切片生成相应里程的断面测量数据，也可通过实测隧道模型和设计模型比较，实现面域的侵限数据提取，极大地提高了作业的效率。

见图2、表1、表2所示。以西安某地铁线路为例，利用传统方法和三维激光扫描测量成果对比，三维激光扫描采集数据点位间隔3～5 cm，表2中“增量”即为超欠挖数据，可以看出，全站仪初支断面测量点位均是离散数据，判断侵限点的位置对测量人员综合素质要求较高，需要测量人员有一定的经验，主观性较强；而三维激光扫描数据断面几乎为连续曲线，可以客观、直观地确定侵限点，测量的精度和可靠性更高。

表1 全站仪初支断面测量成果数据 单位：m

注：“超欠挖”列中超挖、欠挖分别用“+”“-”表示。

表2 三维激光扫描初支断面测量成果数据 单位：m

图2 全站仪初支断面测量

与传统全站仪断面测量相比，三维激光扫描方法的测量精度满足规范要求，外业作业效率较传统方法提高至少3倍；点云数据后处理简单，超欠挖断面成果输出的商业软件较多，且通过实例可以看出，三维激光扫描判断超欠挖细节描述精细，获取信息更全面，可减少欠挖点的漏判［13-14］。

2.3 结构建筑限界

城市轨道交通工程的建筑主要分为区间隧道和车站。根据施工工法的不同，其结构断面形式也不相同。区间隧道横断面主要有圆形、马蹄形、矩形、直拱形等形式；车站横断面主要有矩形、圆形、马蹄形。城市轨道交通工程结构建筑限界测量与一般工程的横断面测量不同，城市轨道交通工程结构建筑限界测量只对线路法截面的横断面结构外轮廓上的建筑限界控制点（由设计单位指定）进行测量，并与设计值进行比较，以此来检查其是否满足设计建筑限界的要求。传统测量方法进行结构限界测量时，首先需要确定线路中线，再确定每个横断面所对应的里程，还要在横断面上标注出建筑限界控制点的点位位置后，才能进行断面测量，既耗时又费力，精度还难以保证 ［15-16］。三维激光扫描技术可以通过外业采集数据建立三维数字模型 ［17］，再结合线路的设计参数，然后将建筑限界控制点要求输入软件，可自动提取所需的结构断面特征点偏距，批量生成结构断面数据，此方法简单、便捷、高效，极大地提高了作业效率 ［18-20］。图3为西安地铁某车站的建筑限界控制点（特征点）要求，其中1、7号点分别表示沿线路中线底部、顶部（轨顶排风管底部）的高程；2号点表示沿轨面线处线路中线至两侧结构的横距；3号点表示沿轨面线以上1.080 m处线路中线至站台面的横距；4号点表示沿轨面线以上1.600 m处线路中线至侧墙面的横距；5号点表示沿轨面线以上3.500 m处线路中线至侧墙面的横距；6号点表示沿站台面以上3.000 m处线路中线至吊墙面的横距；特征点

图3 车站结构建筑限界特征点

图4为车站结构限界测量断面，图中数字表示距离。表3为车站结构限界测量成果。与传统全站仪测量数据对比，测量数据较差在2 cm以内，可以看出，三维激光扫描数据精度完全满足规范要求。以1 km圆形盾构隧道为例，传统全站仪配合相应成熟软件最快需要3人∕组，共计4 d完成数据采集，内业数据整理需要2人，共计1 d，合计5 d；三维激光扫描仪外业需3人∕组，共计1 d，内业数据处理1人，共计1 d，合计2 d。可以看出，三维激光扫描仪作业效率是传统全站仪法的2.5倍。两种方法所获取的数据质量均能满足现行规范及设计要求，但三维激光扫描可获取结构表面海量数据，可以输出任意间距（例如：逐环）或者任意位置的限界断面成果，对于限界紧张或者疑似侵限的部位，能够完整、真实反映结构实体建筑限界测量值，为设计进行限界判定提供更加完整、充足的测量数据。

表3 车站结构限界测量成果表 单位：mm

图4 车站结构限界测量断面图

2.4 管片姿态

成型管片姿态是判断盾构法施工质量好坏的指标之一，是结构限界测量的前一环节，是竣工验收和调线调坡的重要依据。传统方法测量管片姿态使用全站仪、管片尺、水平尺、反光片，将反光片贴在管片尺中心，利用水平尺对管片尺进行整平，测量反射片的坐标和高程，记录反射片至管片底的距离，反算管片中心坐标，并与设计中心对比，以此检测成型管片的水平偏差、垂直偏差是否满足设计及规范要求，其测量精度受多个条件限制，例如：水平尺精度、反射片是否居中，量距精度等。三维激光扫描技术可在盾构法施工过程中获取已拼装管片的所有点云信息，再按照最小二乘原理剔除点云噪点数据后拟合隧道中心，其精度更高、更可靠。而且三维激光扫描技术不仅可以获取管片中心坐标，还可以直接获取环片底部高程、水平直径、垂直直径、前端面里程等信息。

以西安地铁某线盾构区间管片姿态为例，表4根据点云数据拟合了管片的圆心（隧道中心）和半径，其点密度可自定义。可以看出，由其拟合的隧道圆心与真实隧道圆心的残差最小，符合性最好，计算半径仅与设计值差1 mm。传统全站仪法最终测算精度较差，一般计算圆心与实际圆心距离较差在1～3 cm，也无法实测管片半径，且测量时受管片底部环境影响较大。因此，三维激光扫描技术在管片姿态测量应用方面具有较大优势。

表4 竣工定线点（隧道中心）

2.5 椭圆度

盾构法隧道一般为圆形，但施工过程中或施工后，在外力作用下会发生较小的变形，实际为离心率很小的椭圆形。椭圆度是定量分析盾构管片的整体形变的重要参数，地铁隧道盾构法施工设计、验收和保护相关规范都对盾构管片的椭圆度检测进行了规定和要求。椭圆度的定义为：以圆形隧道管片衬砌拼装成环后隧道最大与最小直径的差值与隧道设计内径的比值，以千分比表示，公式为

式中，

表5以西安地铁某线盾构区间为例，利用两种不同手段进行椭圆度计算。根据《盾构法隧道施工与验收规范》（GB50446—2017），地铁盾构隧道验收时成型的衬砌结构椭圆度应不大于6‰。由表5可知，三维激光扫描测量成果第3环、第4环椭圆度分别为8.7‰、8.4‰，均超限；传统全站仪测量成果第3环、第4环椭圆度分别为5.6‰、5.8‰，均在限差以内。使用三维激光扫描技术数据冗余度大，测量数据与实际管片空间位置状态符合性高，测量精度更加准确，数据处理效率高。而传统全站仪测量的观测数据较少，一般仅观测水平方向和垂直方向，具有一定局限性。因此，三维激光扫描测量成果的椭圆度更接近管片实际椭圆度，较全站仪数据计算成果具有一定差异。

表5 盾构区间椭圆度测量成果对比表

3 结束语

本文通过架站式三维激光扫描仪在轨道交通领域的应用，并与传统方法进行对比，分析验证了三维激光扫描技术在作业精度、作业效率方面的优势。实验证明，三维激光扫描技术外业采集便捷，新型设备无需标靶，点云自动拼接，在大幅减少外业时间和降低劳动强度的同时，形成海量数据，可在内业通过冗余数据分析，判断测量检测值的可靠性。目前，点云数据抽稀和去噪仍是限制测量精度和效率的重要因素。如何实现智能化数据抽稀，提高自动化点云去噪算法的健壮性，值得进一步研究。

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引文格式：肖青怀，李泳慧，申斌，等.三维激光扫描技术在城市轨道交通领域的应用［J］.北京测绘，2024，38（2）：183-188.

基金项目：国家重点研发计划（2021YFC3000504）；国家自然科学基金（41930535）

作者简介： 肖青怀（1990—），男，陕西宝鸡人，硕士，工程师，从事大地测量、工程测量工作。

E-mail:[email protected]

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来源：测绘学术资讯

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