地铁隧道土建施工完成之后，受施工误差、沉降变形等因素影响，隧道的主体结构空间位置会和原设计发生一定程度的偏差，因此需要根据实测数据来对线路和坡度进行调整。而隧道断面测量就是为调线调坡工作提供数据基础，为后续铺轨、机电安装等施工提供保障。

传统的隧道断面测量方法主要是全站仪测量法，使用全站仪在隧道内每隔约5 m测一个断面，每个断面需要采集10个左右点位来进行拟合。传统的隧道断面测量方法存在效率低、精度低、人工成本高且具有一定的局限性等特点。而隧道断面数据的成果又会影响轨道的平顺性及行车的舒适性，因此其对工程质量及进度势必产生一定的影响。

三维激光扫描技术作为一种新兴测量手段，具有高精度、高密度、高效率等优点，能够弥补传统隧道断面测量手段的不足。本节主要介绍地铁隧道断面测量中三维激光扫描技术的优势以及对未来前景的展望。

一、三维激光扫描技术的原理

三维激光扫描技术是基于激光测距的原理，通过发射和接收的激光束测量物体，并利用激光脉冲来进行精准定位，并且计算出各测点的三维坐标。由激光脉冲发出至返回接收的时间差来计算距离S，同时测出每个激光脉冲横向角度值α及纵向角度观测值θ，以仪器中心坐标为原点，按下式可计算出测点的三维坐标：

通过大量测点形成带有强度信息和目标物体反射率信息的三维点云，通过三维激光扫描可直接将各种实体或实景的三维点云数据采集到电脑中，经过专门的软件建模，构建出目标的三维实体模型。

二、三维激光扫描技术断面测量

（一）外业操作流程

（1）进入作业现场后观察周围环境，清理扫描范围内的可移动杂物及无关的人员设备。

（2）扫描仪整平之后，新建文件夹查看配套U盘的存储状态及空间。

（3）在仪器前后扫描范围内的位置各摆放不少于2个靶球；在扫描完成前保持靶球静止[如图5.40（a）]。

（4）在扫描起始测站、中间间隔3～5站、结束测站设置黑白平面标靶[如图5.40（b）]，用全站仪获取平面标靶中心的坐标；在全站仪获取坐标后及在扫描完成前须保持平面标靶静止。

（5）设置扫描仪扫描密度及时间，通常设置为每站3 min即可满足断面测量要求，启动设备后作业人员移至扫描范围之外。

（6）每站结束后均需在仪器屏幕中确认所获取的点云质量、靶球及平面标靶的辨识度是否满足要求，对不满足要求的需进行重测或对指定目标进行加密观测。

（7）扫描完成后，保持相邻测站连接处的靶球静止，按上述方法和原则移动另一端的靶球和扫描仪进入下一站测量。图5.41为外业测量现场图片。

图5.40　球形标靶和黑白平面标靶

图5.41　外业测量现场图片

（二）内业数据处理

1.点云数据预处理

1）扫描测站配准及坐标转换

通过公共靶球高对比度的特性来匹配扫描和影像并对扫描影像进行定位，选取靶球作为拼接的公共参照点，利用Trimble Real Works中的配准功能和相邻测站的公共靶球来进行测站配准拼接（如图5.42），测站拼接完成后导入平面标靶中心坐标，并将所有点云数据统一至绝对坐标系中。

2）点云噪点去除

采集过程中周边环境会对点云数据造成一定的干扰，这些干扰数据会影响后续断面切片拟合的精度。所以就需要利用Trimble Real Works的分割工具对这些点云噪点进行标记分类并去除，提取属性相同且在隧道内壁周围的点云数据作为下一步处理的基础数据。

3）点云取样

由于三维激光扫描采集点云数据密度较大，我们可通过对采集到的点云数据抽稀取样来减轻工作站数据处理的负载，加快断面处理的进度。

图5.42　测站配准拼接和公共靶球配准

4）点云输出

点云抽稀取样完成后输出为LAS格式的数据，然后转换成PCD格式，为下一步“MTPD激光点云地铁隧道断面处理系统”数据处理提供基础数据。

2.设计资料录入(www.daowen.com)

依据设计图，将曲线要素数据输入至“MTPD激光点云地铁隧道断面处理系统”中，为后续自动提取断面位置及获取断面点云切片数据提供设计依据（如图5.43）。

图5.43　输入曲线要素后自动生成的线路中线

3.断面成果获取

1）截取断面

以隧道的曲线参数作为依据，沿线路法线方向按一定间距截取断面（如图5.44）。

图5.44　提取的点云切片数据

2）断面拟合

点云断面切片数据提取完成后，以输入的断面位置数据为基础，对已提取的断面进行拟合，从而获得各拟合点至线路中线的横距及隧道顶底高程信息，同时可获取隧道中线的逐桩坐标值。

3）断面成果输出

断面拟合完成后，将断面报表输出。

三、实例分析

在佛山地铁三号线驹荣北路站—东乐路站盾构区间隧道内使用三维激光扫描仪采集生成223个断面数据，同时用传统的全站仪法对其中30个断面进行复核，复核率为13%。将两种断面测量方法的数据进行对比，其中左横距最大较差-31.2 mm，右横距最大较差-33.4 mm，顶高最大较差-18.4 mm，底高最大较差-11.2 mm，复核情况如表5.69所示。

表5.69　三维激光扫描断面测量数据与全站仪法测量数据对比（节选）

由以上数据对比可知，使用三维激光扫描仪采集的断面数据精度可以满足设计及规范要求。由于全站仪法一般采用立杆方式进行测量，人工立杆存在一定的误差，测量的点位会存在些许偏差；三维激光扫描仪直接测量环片内壁的点，减少了人工引起的误差，点位精度更高。

三维激光扫描技术在人工成本、工作效率上更具优势，相同的工作量，比全站仪法测量断面少用一半的人工和一半的时间，效率约为全站仪法的4倍。采集223个隧道断面的工作效率对比见表5.70。

表5.70　三维激光扫描断面测量与全站仪法测量效率对比

四、三维激光扫描技术的优势及前景展望

三维激光扫描技术用作隧道断面测量相比于传统隧道断面测量方法有较大的优势，不仅人工成本、工作效率上更具优势；在成果数据质量方面，三维激光扫描采集的数据更为全面，信息量大，并且可以截取任意断面数据，避免了外业工作重复返工，这是传统全站仪测量所无法比拟的。

三维激光扫描技术是目前获取空间三维数据的一项先进技术，可以深入到复杂的环境和空间进行扫描数据采集，未来在轨道交通领域应用有如下几个方面：

（1）运用三维激光扫描技术对已成型的地铁隧道进行信息采集，通过生成的图像叠加分析可判断出隧道裂缝、渗漏水及管片错台的发展趋势，为地铁运营的维保工作提供参考。

（2）三维激光扫描技术可运用于已运营地铁的结构变形监测，采集地铁各种结构沉降、位移、收敛等监测数据，能够有效提高运营监测效率、降低维护成本。

（3）将三维激光扫描技术与GNSS技术相结合，可运用于地形测量、土方测量等，相比于传统方法精度更高、效率更高，能够缩短工期、节约成本。

五、小 结

三维激光扫描技术具有高精度、高密度、高效率等特点，应用于地铁隧道断面测量非常具有优势，可取代传统的隧道断面测量方法。

但三维激光扫描技术想要在轨道交通领域发挥其更大作为，仍需解决以下问题：

（1）由于三维激光扫描技术运用于轨道交通方面还处于起步阶段，与之相对应的后处理软件较少，相关专业的研发不多，导致其在轨道交通方面运用受到了制约。

（2）三维激光扫描仪采集的点云数据量庞大，而设计单位所需要的还是传统的10点法人工测量数据，对于海量的点云数据没有相关的处理手段，这就导致了点云数据必须转换成对应的10点法数据方可满足设计要求，增加了数据处理步骤，设计单位能否利用点云数据也是推动该技术运用的关键。