TLS技术在地铁隧道断面测量中的应用.pdf
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1、Geomatics Science and Technology 测绘科学技术测绘科学技术,2023,11(2),67-75 Published Online April 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/gst https:/doi.org/10.12677/gst.2023.112008 文章引用文章引用:李志超,闫阳阳,王双雨.TLS 技术在地铁隧道断面测量中的应用J.测绘科学技术,2023,11(2):67-75.DOI:10.12677/gst.2023.112008 TLS技术在地铁隧道技术在地铁隧道断面断面测量中的应用测量中的
2、应用 李志超,闫阳阳,王双雨李志超,闫阳阳,王双雨 机械工业勘察设计研究院有限公司,陕西 西安 收稿日期:2023年2月21日;录用日期:2023年4月3日;发布日期:2023年4月7日 摘摘 要要 针对传统测量方法在地铁隧道针对传统测量方法在地铁隧道断面断面测量中存在的过程复杂、效率低下等问题,本文采用地面三维激光扫测量中存在的过程复杂、效率低下等问题,本文采用地面三维激光扫描描(TLS)技术,使用标靶联系测量法和导线测量法进行外业数据采集。以设计线路为基技术,使用标靶联系测量法和导线测量法进行外业数据采集。以设计线路为基准准提取隧道提取隧道的的连续连续断面,断面,采用最小二乘法对提取采用最
3、小二乘法对提取的断面的断面进行拟合,获取断面的中心坐标进行拟合,获取断面的中心坐标,与隧道设计中心,与隧道设计中心进行进行比较,获取比较,获取隧道隧道的断面的断面尺寸。以合肥地铁某区间为例进行试验,结果表明本文技术方法较传统监测方法能够快速实尺寸。以合肥地铁某区间为例进行试验,结果表明本文技术方法较传统监测方法能够快速实现隧道现隧道断面断面测量,有效提升工作效率。测量,有效提升工作效率。关键词关键词 TLS,地铁隧道,地铁隧道,断面断面测量测量 Application of TLS Technology in Metro Tunnel Boundary Measurement Zhichao
4、Li,Yangyang Yan,Shuangyu Wang China Jikan Research Institute of Engineering Investigations and Design Co.,Ltd.,Xian Shaanxi Received:Feb.21st,2023;accepted:Apr.3rd,2023;published:Apr.7th,2023 Abstract In view of the problems of complex process and low efficiency of traditional survey methods in metr
5、o tunnel section survey,this paper uses ground three-dimensional laser scanning(TLS)technology,target contact survey and traverse survey to collect field data.The continuous section of the tunnel is extracted based on the design line,and the least square method is used to fit the extracted section t
6、o obtain the center coordinates of the section,and the section size of the tunnel is obtained by comparing it with the tunnel design center.Taking a section of Hefei Metro as an example,the test results show that the technical method in this paper can achieve tunnel section measurement faster than t
7、he traditional monitoring method,and effectively improve the work ef-ficiency.李志超 等 DOI:10.12677/gst.2023.112008 68 测绘科学技术 Keywords Terrestrial Laser Scanning,Subway Tunnel,Section Survey Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution
8、International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 三维激光扫描技术又称“实景复制技术”,是一种高效率、高精度、非接触式的主动测量技术1,地面三维激光扫描系统主要由三维激光扫描仪、软件控制平台、电源及其他附属设备组成,它可以在多种观测条件下进行外业扫描,快速获取目标物体的表面三维坐标数据,同时可以通过激光扫描仪内置或外接的同轴数码相机拍摄的影像将点云赋上真彩色,建立数字表面模型,实景呈现扫描物体的真实场景。三维激光扫描由于其使用简单、扫描快速,操作安全且精度高等技术优势,可以极大地提
9、高外业数据采集效率,降低工作人员的劳动强度,提高生产效率,已在诸多领域得到应用2 3 4。张胜军5等采用三维激光扫描技术进行地铁隧道扫描,并开发了相应的数据处理软件,对采集的点云进行了精度验证,从内符合精度和外符合精度上证明了三维激光扫描技术能满足地铁隧道断面测量的要求。徐教煌6等阐述了三维激光扫描测量点云数据坐标转换优化设计,并详细介绍了三维激光扫描技术在地铁圆形盾构隧道检测中的点云数据采集流程、处理方法及成果分析,结合工程实例证明该方法能有效地获取地铁隧道断面测量、椭圆度检测、中心线等成果。张祥7采用三维激光扫描技术对地铁隧道进行健康监测,实现对地铁隧道管壁、中轴线及断面等典型特征的精确提
10、取。王博群8等运用空间几何的方法从海量三维激光点云数据中快速、准确地提取地铁盾构隧道断面和中心点的方法,验证了三维激光扫描技术在地铁盾构隧道竣工测量中具有较强的实用性。地面三维激光扫描技术已经广泛应用于地铁隧道工程测量,在隧道中轴线提取、纵横断面及断面限界测量、调坡调线、三维建模等方面逐渐成熟,但是作业效率和数据处理精度仍需进一步提高9 10。2.TLS 技术应用于断面测量的工作流程技术应用于断面测量的工作流程 TLS 技术应用于地铁区间隧道主要工作流程:现场踏勘、收集资料、制定扫描方案;外业扫描,获取点云数据;点云数据预处理,包含点云数据拼接、配准、去噪和数据简化;数据转换、应用分析等。数据
11、获取流程如图 1 所示。Figure 1.Ground 3D laser scanning data acquisition process 图图 1.地面三维激光扫描数据获取流程 Open AccessOpen Access李志超 等 DOI:10.12677/gst.2023.112008 69 测绘科学技术 地铁隧道区间为狭长空间,对于地面激光扫描仪的架设及外业测量工作极为不利,因此需要到现场进行踏勘,确定测站间距、标靶布设位置。扫描参数的合理设置有利于在确定的隧道长度和精度范围内使用最少的扫描时间,为确保扫描进度高效及点云质量。断面测量的目的是为后续调线调坡提供基础数据,为了获取区间断
12、面的限界尺寸,点云数据要求为绝对坐标,作业时需要使用贯通测量控制点作为控制基准。三维激光扫描具体实施方案如下:1)现场踏勘,制定扫描方案 外业扫描前需要收集相关的设计图纸和控制点资料,现场踏勘、确认隧道内的控制点,对可用的控制点标记、保存。根据扫描目标的形状、位置、空间分布、精度要求以及扫描分辨率确定测站的位置、标靶的位置,根据扫描站位置考虑拼接方式。扫描方案包括项目概况、技术设计依据、测量控制点布设方案、数据处理方案、提交成果、项目工作进度计划、人员分组、后勤保障等。测站点必须能够将本站目标物全部扫描到而且能和标靶点通视,标靶点需要和测站通视并且每个测站标靶点不得少于三个。隧道三维激光扫描采
13、用的是高精度三维激光扫描仪,根据现场实际情况采用 10 m3 mm 的分辨率,以此来保证扫描区域的数据采集质量和点云数据精度。2)外业扫描 考虑到隧道管片没有明显的特征点用于匹配拼接,获取的点云数据要求为绝对坐标,外业扫描采用标靶联系测量法和导线测量法。激光扫描测站及标靶布置见图 2 所示。Figure 2.Layout of laser scanning station and target 图图 2.激光扫描测站及标靶布置示意图 标靶联系测量法进行三维扫描点云数据的采集,采用的为仪器自定义的坐标系,在扫描作业过程中同时将已知控制点扫描进来,后期在完成自由拼接的基础上再和已知控制点进行拼接,
14、这样可以将仪器自带的坐标系转化为同一个坐标系,便于后续工作的开展。对于扫描现场有部分已知控制点,而扫描项目又需要实现点云高精度拼接的情况,可以采用导线测量的方法进行现场扫描,导线布设样式如图 3 所示。主要步骤如下:1)在扫描前布设导线点,即地面激光扫描仪架站点(A,B,C,D,T1,Tn);其中 A、B、C、D 为已知点;2)仪器架设在 B 点,A 点架设标靶作为后视点,A、B 用已知坐标设站方法进行设站测量;3)完成 B 点设站后开始扫描,同时对 T1 点架设前视标靶进行精扫;4)将仪器搬站至 T1 点,使用已知后视点设站方法,扫描后视点 B 标靶完成定向后,进行后续扫描,同时扫描前视点
15、T2 标靶;5)依次完成各个站的设站和扫描任务,直至扫描至 C点为止,同时整个导线测量和扫描中量取仪器高和标靶高,确保获取正确的高程值,这样不仅完成了导线测量,同时完成了各站的扫描任务。6)将导线测量数据导入后处理软件中查看、编辑,核对各站点的李志超 等 DOI:10.12677/gst.2023.112008 70 测绘科学技术 点号及仪器高和标靶高是否正确。核对完成后对设站数据进行拼接,拼接报告中可以查看各导线点的坐标信息,导线总长度和闭合差信息。Figure 3.Ground 3D laser scanner traverse method 图图 3.地面三维激光扫描仪导线测量法 扫描站
16、点布设在隧道中间位置,采用 360扫描方式对隧道全方位扫描,开始扫描时,从开始的一端优先对控制点上的标靶进行精细扫描,由设备拟合出标靶中心点坐标,后进行完整扫描。每一站扫描结束后移动前进方向尾部的两个靶球至前方,保障每相邻两站数据间存在至少 4 个公共靶球,作为点云拼接的依据。由于隧道狭长,由于隧道内径仅有 5.4 m,未必免入射角过大的激光采集会的数据反射率较低,采用约 10 m 一个站点的方式,不仅保证的数据的重叠范围,也保证了靶球的可识别率。3)点云数据预处理 点云数据预处理主要包括:点云配准、点云拼接、点云去噪和点云简化。通过数据预处理,可以有效剔除点云中的噪声和外点,在保持几何特征的
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