1.三维激光扫描技术简介

图14-40　探地雷达平台在济南地铁R3号线裴家营—王舍人区间进行监测

隧道变形监测的主要目的是获取监测目标不同时期的三维坐标数据。传统的三维数据获取方法有单点坐标获取法(如全站仪、GPS等)、近景或航空摄影测量等。虽然全站仪和GPS接收机与传统的仪器相比，监测效率提高了很多，但它们仍是基于单点采集三维坐标的方法，在场地复杂的情况下，需要较长的时间，不仅劳动强度高，浪费人力、物力，而且获得的点的密度小，观测精度受观测条件影响较多，对于需要海量数据的结构面、实体的描述不够全面，不能提供所有表面信息。

三维激光扫描技术是一种先进的全自动立体扫描技术，精度很高，也被称为实景复制技术。与传统测量方法的单点测量不同，三维激光扫描是一种360°自动高精度步进扫描测量，可以通过不同站点的扫描操作获得完整、全面的三维空间信息，还可以通过三维激光扫描设备上的影像设备获取待测体的图像信息。通过对获得的点云数据、图像信息进行数据处理，可快速建立结构复杂、不规则场景的三维可视化模型，生成正射影像等。

三维激光扫描仪是一种结合多项高科技手段而成的三维测量仪器，它是变形监测领域未来发展的主要方向。实现对被测隧道的快速扫描测量，可以在短时间内全面获取变形监测对象的整体点云信息。获得测量对象点的三维坐标和反射强度能够很好地满足测量要求，因此可广泛运用于隧道施工监控及运营监测中的变形测量。使用三维激光采集数据还可以获得整个隧道的几何信息，隧道的任何区域都可以进行建模并提取断面，而传统的测量方法仅能获得特定断面的几何信息。

仪器在扫描过程中不仅形成点云数据，而且对正常、渗水、存在裂缝的扫描面，根据不同的反射强度匹配不同的颜色。在完成隧道点云数据采集后，使用后处理软件，将点云数据去噪、拼接，建模出被测物体的实际形状，进行收敛数据采集。在完成点云拼接后，为了减少数据冗余，提高监测精度和工作效率，需要对点云数据进行去噪处理，去除公共区多余的点云和激光束在传播过程中发生离散所形成的噪点。点云拼接、去噪计算所得的整体变形云图如图14-41和图14-42所示。

隧道扫描工作中利用三维激光技术进行信息处理，可以提升测量数据的精准度。利用此项技术获取更多的数据云点，依据这些云点数据进行三维信息整合，完成三维建模工作，从而对隧道工程的真实性进行数据分析，并对空间姿态进行对比研究，进而发现隧道在施工建设中所出现的变形情况。以三维激光扫描仪代替传统手段，不仅作业效率高，成果展现形式多样，还可以进行三维建模，对地铁隧道进行漫游和空间分析处理，这是传统测量手段无法比拟的。

图14-41　某圆形隧道点云拼接、去噪后的效果图

图14-42　某圆形隧道整体变形云图

2.三维激光扫描技术测量原理

三维激光扫描技术通过激光扫描获取海量测点的三维坐标数据，其中各个测点的三维坐标根据激光发射点到目标反射点之间的方位角以及激光反射的时间计算确定。由于三维激光扫描系统的扫描范围有限，而且测量目标几何复杂度较高，一个测站的扫描通常不能完全再现目标的空间形状，需要部署多个测站。但是，每个测站扫描的数据点的坐标基于以该站为原点构成的坐标系，即不同站的数据点坐标不在同一坐标系中。将基于三维激光扫描仪坐标系统的两个或更多个点云数据统一到相同坐标系中的过程称为点云拼接。对于分站测量，其扫描流程如图14-43所示。(www.daowen.com)

3.三维激光扫描技术应用

同济大学团队在上海地铁10号线三门路站至江湾体育场站区间隧道收敛变形监测作业中，采用徕卡公司比较主流的一款ScanStation C10三维激光扫描仪进行现场扫描工作。激光扫描仪在现场进行扫描时，可以通过屏幕触控进行相关扫描选项的设置等操作，直接在屏幕上就完成了工程项目的建立、扫描视角的选取、标靶的设定和扫描以及数据的导出等工作。将现场扫描的点云数据导入到点云后处理软件Cyclone中，即可得出部分测站的点云信息(图14-44)。

之后通过Cyclone软件的Registration模块，利用板式标靶同名点对各个测站的点云数据进行拼接预处理，最后得到拼接完成的10号线点云图(图14-45)。

经点云数据变形提取算法运算后，可提取出断面上各点的变形量值并赋予RGB色彩信息，将断面点云转换到原始三维激光扫描测量坐标系之中，即可获取断面点云三维变形云图。该区间隧道典型的管片三维变形云图如图14-46所示。从图中可以看出，在收敛变形较大的管片中，其变形云图颜色为红色、蓝色，颜色较深；而收敛变形较小的管片，变形云图颜色为黄色、绿色，颜色较浅。三维变形云图使得判断各环管片收敛变形以及分析隧道整体变形规律更为直观，能更好地为工程实践服务。

图14-43　分站扫描测量流程

图14-44　区间隧道部分测站点云信息

图14-45　上海地铁10号线三门路站—江湾体育场站区间上行隧道点云图

图14-46　典型管片三维变形云图