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三维激光扫描技术在地铁隧道工程中的综合应用

发表时间：2021/5/24 来源：《基层建设》2021年第2期作者：周军江

[导读] 摘要：近年来，我国的交通行业有了很大进展，地铁隧道工程建设越来越多。

        新疆铁道勘察设计院有限公司新疆乌鲁木齐 830011
        摘要：近年来，我国的交通行业有了很大进展，地铁隧道工程建设越来越多。作为实景复制技术，三维扫描能够对扫描场景进行高精度还原。三维激光点云含有位置和属性信息，基于多源传感器获取的地铁隧道点云数据，对其进行深度分析挖掘，可以获取更多有用信息。本文探讨外业采集和数据处理过程的重点和难点，分析其在断面检测、限界分析、混凝土厚度检测、病害检测、变形检测以及原始数据存档等方面的综合应用，最终建立地铁隧道工程的实景三维信息数据库，为地铁后续运营管理提供了原始资料，为以后类似项目提供了借鉴。
        关键词：三维激光扫描技术；多源点云数据；地铁隧道；综合应用
        引言
        随着国民经济飞速发展以及城市化脚步的加快，我国城市轨道交通也在迅猛发展。城市轨道交通具有运输能力强、速度快、环保等优点，能极大地满足人们日益增长的出行需求。但是城市轨道交通绝大部分修建在地面以下（人们俗称“地铁”），轨道交通事故也频繁发生，其安全性和稳定性成为了社会普遍关注的新问题。城市轨道变形监测作为保证其安全、稳定运营的一项工作显得十分重要。
        1三维激光扫描变形监测
        1）固定式扫描。采用固定式三维激光扫描仪进行现场作业，扫描前需要人工对隧道进行踏勘以确定架站次数、每站测量距离等参数。另外，地铁盾构隧道是线性狭长、圆形无棱角、凹凸等特征点，因此，一般通过布设球形标靶作为后续内业中点云拼接的标志，然而，在狭长空间内标靶布设几何图形不恰当会导致点云配准误差比较大，并且后期内业工作量较大，自动化程度较低。2）移动式扫描。采用轨检车架设三维激光扫描仪对地铁隧道进行扫描，可以获取每个测量断面的里程和断面各点的相对二维坐标（X，Y）（其中 X 为断面内水平方向坐标，Y 为断面内竖直方向坐标），后期建立的模型为若干扫描断面沿里程方向的展开，由于缺少真实三维坐标，当隧道为曲线段时，建立的模型仍是直线形式。因此，该方法是 1 种“相对测量”。
        2三维激光扫描技术在地铁隧道中的应用
        2.1点云数据获取
        点云数据采用是一项基础性工作，根据扫描平台的不同，激光扫描仪可以分为地面激光扫描仪、车载激光扫描仪、机载激光扫描仪等几类。根据隧道实际工程特性，目前工程上扫描隧道主要采样地面三维激光扫描仪，地面激光扫描仪数据采集基本流程如下：1）测区踏勘。为了布置合理的观测方案，需要充分了解测区情况，针对隧道而言，主要是现场通视情况，以及已有控制点位的分布情况等。2）控制测量。三维激光扫描仪需要高精度的控制网将各测站的数据拼接起来，考虑到隧道主体的特殊性，需要涉及合理的控制网。能够均匀分布在测区线路内。3）标靶布设。控制测量完成后，获取各控制点点位坐标，然后将标靶架设在控制点上。4）设站。观察测区环境，选择有利的观测位置，保证一个测站能够尽可能多地观测到隧道，并且能够观测到标靶。整平仪器后启动仪器，并进行自检。5）扫描设置。设置扫描参数，包括分辨率、扫描角度等，然后选定扫描范围，然后进行粗扫和精扫。6）扫描标靶。每站扫描隧道时，都需要扫描标靶，获得本站控制点坐标。7）迁移。依次连续进行各站扫描。主要原则是，要求减少设站次数，增加单站扫描范围。扫描到的隧道原始点云数据需要进行数据预处理，主要包括数据拼接、裁剪、补漏、删除以及点云滤波、抽稀等，直到获得有效地隧道点云数据。
        2.2混凝土厚度检测
        目前隧道混凝土厚度检测方法主要是回弹仪检测法，这种方法耗时耗力，也只能对零散的点进行检测。使用三维激光扫描仪对初支和二衬进行扫描，将两期数据进行叠加，既可以得到混凝土厚度。相比之下，基于三维激光扫描仪的方法能够进行更加全面的检测，省时省力。

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        2.3数据处理
        根据不同测量方式得到的测段点云数据中包括路过的行人、“飞点”噪声以及其他不可预知的事物出现，为了避免影响后期数据处理效率和成果精度，对数据进行预处理。①点云拼接与抽稀：静态扫描时单一测站扫描无法获得完整的形态，因此需要多个测站来对其进行扫描，并将多测站的数据进行拼接。由于扫描的点云数据量巨大，为减轻后期数据处理，按3mm的间隔进行抽稀。②点云地理化：利用CPⅢ控制点将整体点云进行坐标地理化，统一坐标系后可以与以往的监测资料做比较。③点云分割：由于只需对隧道本身进行分析，而无需周围的多余点云，因此先删除周围多余数据，以减少数据量，加快数据处理速度。④点云去噪：对分割后剩下的监测对象去除“飞点”等噪声，以提高成果精度。
        2.4轨道变形分析
        为比较2期测量的轨距变化情况，将每期测量的各断面轨距与标准轨距相减得到各断面轨距偏差值，将扫描区间内相同里程段的监测轨距偏差值进行对比。
        2.5三维管理系统
        地铁运营维护阶段会开发许多维护管理系统，目前大多数系统都是基于二维平面的。随着三维激光扫描技术的应用，越来越多的维护管理系统都可以基于三维数据进行开发。基于固定式扫描仪点云数据，开发的车站三维管理系统。
        2.6点云格网化
        三维激光扫描仪获得了海量的隧道点云，隧道点云具有分布的随机性和不规则性。为了有效处理点云数据，采样点云格网化数据处理方法，使得点云数据规则化、结构化，再选择有效的格网化内插方法求取点云数据的范围与信息。作为一种常用的数据处理方法，格网化内插主要是根据周边若干参考点求取待定点数字，通过格网化内插，形成表面连续起伏变化的光滑表面。针对被处理数据的不同，所采用的格网化内插方法也不同，应有较为广泛的插值方法主要有克里金插值法、最小曲率插值法、加权反距离插值法、最邻近点插值法等，不同插值方法在表达效果和精度方面存在差异，实际应用中要根据数据特点选择合适插值方法。为了提高格网化内插的精度，可以采用分块插值的方法。根据原始数据中不同区域数据的特点，分别进行格网化内插，以提高。
        结语
        综上所述，隧道断面是确定和衡量隧道运营状态的重要指标，为了精确地获取隧道断面状态，需要在数据采集阶段和数据处理阶段进行优化处理。将三维激光扫描技术应用于隧道监测，具有成本低、可重复性高、监测周期短等优点，能够获得海量的观测数据，能够获得隧道实时三维状态，具有很高的应用前景。目前，整套设备价格高昂，扫描费用较高，在地铁进行大范围推广仍难以实现。另外，点云沿隧道轴向分辨率受设备推行速度影响较大，使得点云分辨率和数据采集效率难以同时提高，需进一步研究。
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