三維激光掃描儀在地鐵竣工測量中的應用及精度分析

夏春初，王智，張洪德（青島市勘察測繪研究院，山東青島 266032）

三維激光掃描儀在地鐵竣工測量中的應用及精度分析

夏春初?，王智，張洪德
（青島市勘察測繪研究院，山東青島 266032）

地鐵土建施工結束后，需要對車站及區間進行竣工測量，傳統的測量方法主要是采用全站儀測量隧道區間的二襯斷面以及車站的空間尺寸，通過與設計數據進行對比來分析土建工程的施工測量質量，該方法外業工作量大，效率低且內業處理過程繁瑣。在青島地鐵3號線中，將三維激光掃描儀應用于竣工測量，該方法工作量小，數據處理效率高，且可以進行三維建模對地鐵車站進行漫游和空間分析處理，具有傳統測量手段無法比擬的優勢。

竣工測量；三維掃描；斷面測量；三維建模

1 引 言

地鐵竣工測量是在地鐵土建工程完工后進行，主要任務是對已建成的地下構筑物進行測繪，并將獲得的測量數據與原有設計數據進行比較，形成測量成果，供有關部門進行綜合分析利用［1］?？⒐y量主要是隧道區間的二襯斷面以及車站的空間尺寸測量。傳統的測量方法主要是利用全站儀或者測距儀等設備采集各個獨立點的空間三維坐標，內業使用軟件或人工繪制斷面或空間尺寸圖，并與設計數據進行對比，進行分析土建施工測量質量，判斷是否滿足設計限界等要求。這種方法外業工作量大，內業數據處理繁瑣，效率低［2］。

三維激光掃描儀是近幾年發展起來的新型測量設備，它突破傳統的單點測量技術，使得外業測量更加高效便捷，為空間三維數據的獲取提供了有效的測量手段。它采用非接觸式激光測量技術，以點云的形式采集并保存空間物體表面的三維幾何信息和紋理數據。三維激光掃描儀主要包括測距系統以及掃描系統，同時也集成CCD數字攝影和儀器內部校正等系統。其工作原理是:儀器對待測物體發射激光，根據激光發射和返回的時間差，得出掃描儀與物體的幾何距離，根據水平方向和垂直方向步進角距值，計算出點位的三維坐標，并由儀器存儲設備予以記錄儲存，再經過后處理軟件的建模，便可得到被測物體的空間三維模型［3］。

在青島地鐵3號線永平路車站和西永區間的竣工測量中，使用了三維激光掃描儀，并獲得了良好的效果。

2 數據采集

青島地鐵3號線永平路車站為地下兩層島式車站，西永區間長度為 984 m，采用噴錨構筑法施工，車站主體結構及區間二襯結束后，采用徠卡ScanStation C10三維激光掃描儀對其進行竣工測量。徠卡Scan-Station C10三維激光掃描儀掃描視場角大、距離遠，視場角水平方向為360°，垂直方向為270°，其表面建模精度為 2 mm，標靶獲取精度為 2 mm，單點測量點位精度為 6 mm，距離精度為 4 mm，角度精度為12″。其內置有400萬像素的數碼相機，在獲取掃描點云的同時拍取照片，用于對點云的紋理貼圖。同時，為了滿足工程的更多需求，徠卡ScanStation C10支持外置高像素相機拍照功能，在掃描過程中獲取更高像素的照片，整個360°方向只要獲取6張照片即可。然后通過專業的Cyclone后處理軟件進行快速貼圖，呈現更加逼真的真彩色點云數據，豐富了掃描成果。

外業測量時，在車站和區間內控制點上架設標靶（圖1左圖），儀器根據現場通視情況任意架站，但需和兩個標靶通視，儀器整平后根據掃描儀性能參數及現場環境設定掃描站間距、掃描點密度，保證各測站之間具有一定的掃描重疊度。同步進行隧道三維激光掃描，獲取隧道三維點云數據，同時也獲取標靶點云數據。一般在地鐵隧道環境中，兩個掃描站間距在 50 m ～100 m之間，為提高數據利用率以及后期的三維模型制作及分析，掃描密度可選擇精細掃描模式，其在100 m處的掃描密度可以達到 0.3 mm，完全能夠滿足特殊工程項目的精細數據獲取的需要。

三維激光掃描儀獲取的原始觀測數據主要包括:①根據2個連續轉動用來反射脈沖激光鏡的角度值得到激光束水平方向值和豎直方向值；②根據脈沖激光傳播時間而計算得到的儀器到掃描點的距離值；③掃描點的反射強度；④通過數碼相機獲取的場景影像數據等［4］。前兩種觀測數據用來計算掃描點的三維坐標值，掃描點的反射強度和場景影像數據則用來給反射點匹配顏色或給模型映射紋理。

? 收稿日期:2016—01—01

作者簡介:夏春初（1980—），男，碩士，工程師，注冊測繪師，主要從事城市測量工作。

圖1　徠卡C10三維激光掃描儀工作現場

3 數據處理

（1）標靶三維坐標計算:利用導線和水準測量的成果，進行標靶三維坐標的計算。

（2）點云拼接:根據標靶三維坐標將每個測站的點云數據歸算到隧道施工使用的三維坐標系統中。

（3）剔除噪音數據:根據隧道設計數據（平曲線、豎曲線和設計斷面），剔除隧道壁外的噪音數據。噪音數據主要是隧道內的連接螺栓孔、螺帽、注漿孔及電纜、照明設備和其他附著在管壁上的設施［5］。

（4）通過專業的Cyclone后處理軟件進行快速貼圖，生成真彩色點云數據，如圖2所示。

（5）成果輸出，根據需要提取并量測點云模型兩個指定點的空間幾何尺寸或提取區間指定里程的斷面數據，并與設計數據進行分析比較計算，如圖3所示。

圖2　永平路車站和西永區間三維模型

圖3　地鐵區間超欠挖分析圖

4 精度分析

三維激光掃描儀測量成果的精度主要受到儀器的角度測量精度、距離測量精度、分辨率、邊緣效應、測量對象的反射特性、測量時的環境條件及后期的數據處理方法等因素的綜合影響。就原始數據本身來說，角度測量精度和距離測量精度是影響測量成果精度的兩個主要因素，該精度主要和儀器出廠時標稱的精度有關。而三維模型的精度則主要取決于激光腳點光斑的大小和采樣間距。激光腳點光斑的大小和采樣間距對于儀器來說是可以調整的，其模型精度也會隨選取的標準不同而有所不同，不具有一致性。本文只討論單個掃描點的誤差影響因素及其影響情況。

三維激光掃描儀的測角精度不僅和儀器本身的系統誤差和測角誤差有關，還與待測物體表面材質等特性有關，由于儀器捕獲到的首次能量反射可以來自激光腳點光斑范圍內的任何位置，這就必然導致一定量的偏離中心軸線的系統誤差。這種實際觀測點偏離中心軸線的誤差存在不確定性，通常和觀測對象的光譜特征、表面粗糙度及表面法線與入射激光所形成的夾角有關。

三維激光掃描儀的測距誤差主要包含系統性誤差和隨機誤差兩項。由于測距也是以第一次俘獲到足夠反射能量來確定測量值的，而反射能量在很大程度上和目標表面特性及表面法線與入射激光所成的夾角相關。因此由于入射激光和目標表面不正交所產生的誤差必須予以適當的考慮。

激光點在儀器坐標系中的坐標P（X，Y，Z）可表示為:

上式中S表示儀器中心至測點的斜距，α和θ表示儀器在水平方向和豎直方向上的旋轉角度。根據誤差傳播定律:其中:

根據上述誤差模型，即可對測站內某些最弱點進行精度估計，從而決定其取舍。對于高精度的三維激光掃描測量，尤其顯得重要，不但可以在測量后數據處理中根據最弱點精度來做出采樣點的適當取舍，而且可以在項目測量設計書里根據預期要達到的精度、儀器視窗的大小及最弱點坐標精度估算，正確選擇測量方案。

由于在本項目中采用精細掃描模式，使用的地下控制點經過兩站一區間的聯測并平差計算，其最終點位掃描精度達到 3 mm。

5 結 語

青島地鐵3號線永平路車站和西永區間地鐵竣工測量的外業數據的拼接精度很高，這是由于掃描距離短且現場具有較高精度的控制點，內業處理中使用Cyclone軟件，用于標靶拼接、點云切片和點云擬合模型，成果更加全面；其成果具有點云、模型、線劃圖等多種表達方式。三維激光掃描儀的應用，大大縮短了作業時間、節省了人力成本、提高了生產效率。

目前制約三維激光掃描儀發展的瓶頸主要是價格過高以及后處理軟件無法滿足一些工程的具體需求，隨著儀器價格的降低及后處理軟件的完善，三維激光掃描儀逐步應用快速建立局部城市三維模型、古建筑測量與文物保護、逆向工程應用、復雜建筑物施工、地質研究、建筑物形變監測等相關領域，將會把傳統測繪行業應用引領到一個新的時代。

［1］王智.地鐵盾構姿態自動測量系統的研究與實現［D］.上海：同濟大學測量與國土信息工程系，2011.

［2］鄭德華，沈云中，劉春.三維激光掃描儀及其測量誤差影響因素分析［J］.測繪工程，2005，14（2）：32～35.

［3］王智，邵成立，于宗偉.全站儀二次開發技術在工業測量中的應用研究［J］.測繪通報，2012（S1）：175～177.

［4］羅德安，廖麗瓊.地面激光掃描儀的精度影響因素分析［J］.鐵道勘察，2007（4）：5～7.

［5］廖胤齊.地鐵隧道結構斷面測量方法及對比分析［J］.北京測繪，2014（4）：84～86.

The Application and Precision Analysis of Three-dimensional Scanner in Subway Completing Surveying

Xia Chunchu，Wang Zhi，Zhang Hongde
（Qingdao Institute of Geotechnical Investigation and Surveying Research，Qingdao 266032，China）

It’s necessary for the station and interval to complete surveying after the end of subway construction.Traditional measurement method is mainly to survey secondary lining sections of tunnel sections and station space size by total station instrument，and then analyzes the construction measurement quality of civil engineering comparing with the design data.The characteristic of this method is large working，low efficiency and complex processing.In Qingdao Metro Line 3，3D laser scanner was applied to completing surveying.This new method is small woriking，high efficiency of data process，and can carry on roaming and space analysis processing to the subway station with three-dimensional modeling，has inimitable advantage compared with the traditional measurement method.

completing surveying；three-dimensional scanning；tunnel section measuring；three-dimensional modeling

1672-8262（2016）02-129-03中圖分類號：P258

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