摘要：基于三维激光扫描仪在测量中应用，大胆尝试应用于地铁竣工验收，重点叙述了作业流程。其中，靶球中心坐标的提取在比较常见方法之后，选择一种作为提取中心坐标的方法；通过对点云数据分析，完成了某城市地铁站点云数据的拼接工作，从中总结了几种减小误差的方法；最后，通过实测某城市地铁1号线地铁站，验证了三维激光扫描仪在城市地铁竣工验收中的可行性与适用性。
关键词：地铁竣工；三维激光扫描仪；点云；回光强度加权平均法
0前言
地铁作为一座城市发展的里程碑工程尤为重要，越来越多的城市开始规划、设计、施工地铁项目。地铁在交付使用时往往要做的一件事情，即为地铁竣工验收。地铁竣工验收与往常的楼体竣工验收内容大致相同，但也有差别。二者都是测量现状与设计数据进行比较，形成测量成果，供有关部门综合分析利用。二者不同在于楼体竣工侧重点在于高度、面积、距离；地铁竣工测量主要是隧道区间二衬断面以及区间内各硐室的空间尺寸数据。传统的测量方法是利用全站仪或者测距仪等设备采集各个特征点的三维坐标，内业使用成图软件绘制出断面尺寸与计算面积，并与设计数据进行比较用来判定施工质量，同时判断是否满足设计限界等要求。这种传统的施工作业方法施工量大，耗费大量的人力、物力、财力，以至于工作效力极低。
TX8中配置了“闪电”激光技术，并结合脉冲技术和相位技术，在120米测程范围内，能够同时保持每秒100万个点的速度和2mm的精度来获取数据，当扩展至340米测程范围时，也可以达到每秒40万个点的速度。本文利用三维激光扫描仪在地铁控制导线基础上，采用外业布置靶球的测量作业模式，同时在外界干扰影响最小的情况下进行作业，其工作流程如下：
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图 1 主要作业流程
1导线控制测量
为达到地铁竣工数据与城市坐标系统相互联系的目的，将地铁三维扫描数据规划至该城市坐标系统中；同时布置导线控制网还可以起到控制点云拼接时产生的累计误差的作用，提高拼接精度。采用联系测量，利用两井定向的模式将地面已知坐标通过城市二级导线导入地面以下空间部分。
2.三维激光扫描仪数据采集
2.1三维激光扫描仪外业
某城市地铁1号线解放大路站同时具备施工中地铁二号线换乘站的作用，其地下空间非常庞大，内部空间硐室较复杂，日均客流量数以万计，这给扫描观测带来非常大的难度。
外业测量时，在控制点上架设靶球，但要保证靶球之间、仪器与靶球之间相互通视。架设仪器根据周围环境复杂程度采用任意架站，每次设站均要综合考虑测站距被扫物体远近，扫描面积的大小、有无扫描盲区、相邻测站间有效点云重叠度不低于20%、相邻测站间均要有三个靶球同时存在等因素。且在仪器工作时，禁止触碰扫描仪，尽量避免有人员或车辆在扫描仪视野中穿过吗。扫描参数设置在扫描仪屏幕上按要求操作完成，各种参数选择结合外业经验设置。
2.2扫描仪数据检查
每测站在完成扫描作业之后，要立即进行数据检查。检查内容主要有：（1）检查数据是否已经存储完毕并且保存上；（2）检查是否可以打开灰度图：（3）检查扫描区域是否有遗漏：（4）检查靶球是否已扫描上；（5）检查是否存在噪点或噪点是否影响后期应用。上述若干项检查完毕后方可进行搬站，若上述项目有没通过者，可以框选该区域，选择合适的档位进行局部重新扫描。两次扫描的点云会自动拼接，或者有必要进行重新采集数据。
3.内业数据处理
3.1数据预处理
（1）点云数据预处理
外业数据采集到的格式均为天宝公司随机附带的专业成图软件Trimble RealWorks可识别的标准工程文件，包括由RWI测站文件夹和RWP快捷方式组成的文件。拼接前要对点云数据进行去噪处理。去噪的目的是为了将有问题的噪声点过滤或者删除，以保证扫描点云数据的正确性。一般来讲去噪方式分为手动编辑与自动过滤，自动过滤包括距离过滤、离群、统计、角度；手动编辑通过框选噪声点，使用删除工具，将噪声点去除。常见选项功能如图所示：
（2）靶球坐标提取
靶球中心坐标的计算对模型拼接和坐标系统转换有很大的影响，常常通过规则扫描拟合得到靶球的中心坐标。根据相关文献可知，点云数据中具有矢量性质的点其测量值中还包括回光强度值。靶球中心坐标提取常用的方法有平均值法、边缘最小二乘拟合法、回光强度加权平均法等等。这些方法中最具有典型且提取精度较高的是回光强度加权平均法，靶球中心坐标提取公式如下：
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式中：为了标志中心坐标；为i点回光强度；为靶球i点坐标。
3.2点云拼接及成果输出
外业采集的成果可采用基于靶球拼接方式，或者采用公共点云拼接。采用公共点云拼接时，两站间的点云重合率根据相关文献和大量的内外业结合得出点云重合率不应少于20%的经验；当采用靶球拼接时，两站间公共靶球数量一般不应少于3个。根据靶球三维坐标将每个测站的点云数据归算到隧道施工使用的三维坐标系统中。点云拼接可选择自动配准拼接和手动配准拼接，可根据委托方要求对点云数据进行抽稀处理，输出点云数据和实景浏览成果。
4.精度分析及减小误差措施
4.1点云误差来源及分析
点云数据中误差可根据成因不同分为系统误差与偶然误差。
系统误差的大小是由仪器自身硬件条件决定的，如激光的发散度、旋转棱镜的精度、双轴补偿精度等。其中激光的发散度决定了三维激光扫描仪的有效测程，随着距离的增加，激光的发散度不断增加，采集的点云数据精度也随之降低。应用于地铁三维建模的激光扫描仪，一般要求100m测程范围内测距精度优于1mm。显然像天宝TX8型三维激光扫描仪完全能满足要求。
4.2减小误差的方法
（1）增加设站点数目：一是可以减小扫描距离，从而降低激光发散度；二是可以减小激光光束方向与物体表面切平面法线的角度；三是可调节挡位，采用更高一级的档位来获得更多的点云，这样可以更加详细地获得被扫描物体的表面特性。
（2）提高控制网精度。其意义在于减小点云数据拼接时产生的误差，减小重复观测中因控制网误差对点云数据的影响。如本文提及的该城市地铁导线用莱卡TM30测量机器人可获得高精度的角度与距离观测值，从而获得更高精度的控制网数据。
（3）提高点云的拼接精度。该方法是选择合适的拼接算法和拼接方法。像地铁扫描数据少时搜索同名点进行拼接；点云数据量大时，搜索同名点时非常耗时的。因此可在被测目标上提前安置一定数量的反射标靶，就像本文提及的靶球，可有效减小拼接工作量。
5.结论
本文通过某城市地铁竣工验收这一任务，大胆采用三维激光扫描仪运用在地铁竣工验收中，不仅提高了工作效率，而且能够得到更过细节纹理。三维激光扫描仪得到的点云数据不仅可应用于地铁竣工，还可应用在地铁变形监测上。与此同时三维激光扫描仪正逐步应用在快速建立局部城市三维模型、古建筑测量与文物保护、逆向工程应用、复杂建筑物施工、建筑物形变监测等测量项目中。
参考文献：
[1]卢颖.基于三维激光扫描的桥梁检测技术应用研究[D].吉林大学，2017.
[2]龚珍.地面三维激光扫描点云场景重建方法研究[D].中国地质大学，2017.
[3]任帅.基于三维激光扫描技术的滑坡表面形变特征分析[D].西南科技大学，2017.
作者简介：
朱门（1985～），男，浙江湖州人，专科学历，中级工程师，现主要从事某测绘工程的工作。
论文作者:朱门
论文发表刊物:《基层建设》2019年第31期
论文发表时间:2020/4/2
标签：数据论文; 地铁论文; 激光论文; 扫描仪论文; 坐标论文; 误差论文; 精度论文; 《基层建设》2019年第31期论文;