1、第 卷 第 期 年 月测绘与空间地理信息 ，收稿日期：作者简介：方立伟（），男，浙江杭州人，高级工程师，本科学历，主要从事工程测量相关方面的工作。三维激光扫描技术在隧道工程中的应用分析方立伟（浙江省第七地质大队，浙江 杭州）摘要：三维激光扫描能够对扫描场景进行高精度还原，三维激光扫描的点云含有位置和属性信息，基于多源传感器获取的地铁隧道点云数据，对其进行深度分析挖掘，可以获取更多有用信息。本次实验基于 隧道三维激光扫描系统对目前隧道工程进行状态分析和调查，实验结果表明：目标隧道 环管片椭圆度基本在之间，其中最大几环椭圆度超过了；隧道结构性渗漏水 处，隧道结构性开裂 处，管片错台最大值达到 ；管
2、片水平直径最大偏差为 ，最小偏差为，平均偏差为，隧道受周围地质和人为因素干扰影响较大。关键词：三维激光扫描；隧道工程；椭圆度；病害；水平直径中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：，；，；，：；引 言三维激光扫描又被称为实景复制技术，在测绘领域是继 之后又一次技术革命。三维激光扫描与传统测量方法相比，具有操作简便、自动化程度高、工作效率高、精度高、非接触式等一系列优点。目前，三维激光扫描技术已经广泛应用于地形测绘、地下工程、高层建筑变形监测、矿山测量、古建筑物测量等领域。文献基于三维激光扫描仪获取路面点云数据提取到的道路倾斜、曲率等变形信息与实测水准数据吻合，验证了三维激光扫描技术道路沉
3、陷监测上的可行性。文献利用移动式三维扫描以推行扫描方式获取狭长隧道结构点云数据，实现隧道结构变化监测和隧道变化精准监测。三维激光扫描技术可以对隧道进行状态调查，调查结果可以为后期隧道病害修复提供科学准确的测量数据，具有十分重要的科研价值和现实意义。三维激光扫描的组成与基本原理三维激光扫描系统主要由扫描系统、控制系统和计算机系统三部分组成，其中扫描系统主要包括激光测距模块和激光扫描模块；控制系统通过计算机总线控制扫描模块和测距模块来保证扫描工作的正常进行；计算机系统通过系统指令的方式方法来控制仪器的工作，并将测量数据进行存储。三维激光扫描仪通过高速转动的马达来使扫描头部转动，与此同时激光发射器发
4、出激光，激光经过待测物体表面反射回到扫描系统，被扫描系统中的激光接收器接收，激光接收器根据激光反射回来的水平向扫描角度 和竖向扫描角度、激光束从发射到被接收的往返传播时间、信号强度等信息，由往返时间 求出扫描仪到目标物体之间的距离，再配合扫描仪自身的位置信息，就可以反演得到目标物体表面的三维坐标信息及反射强度信息等。在测量过程中每一台三维激光扫描仪都有自身的坐标系统，仪器的中心就是自身坐标系的原点，轴与 轴相互垂直位于水平扫描视场，轴垂直于、轴构成的平面位于竖向视场，如图 所示。图 三维激光扫描原理图 根据图（）几何关系，即可得到目标物体的三维坐标计算公式，即：（）式（）中 表示扫描仪到物体的
5、距离；、分别表示水平向扫描角度和竖向扫描角度。作业流程及数据处理三维激光扫描作业流程主要包括外业扫描作业和内业数据处理两部分。外业扫描作业主要是数据采集的工作，而内业数据处理主要包括坐标转换处理、点云数据拼接、点云数据优化、点云数据融合、点云数据降噪以及结果的可视化输出，数据处理流程如图 所示。图 数据处理流程 在外业数据采集的过程中，三维激光扫描仪扫描的点云仅是点与点之间的相对位置关系，因此，在内业数据处理过程中先进行坐标转换的工作，将相对位置关系转换成绝对位置关系。案例分析现需要对某一区间隧道状态进行评估，本次实验采用 隧道三维激光扫描系统，该系统适用于对隧道的几何形态进行快速检测，为隧道
6、建立数字化运营管理档案。隧道三维扫描检测技术可以对施工或者运营隧道进行精确和全面的三维数字化、影像化。采用精细化断面和可量测正射激光影像数据快速对隧道进行三维检测并实现内业数据处理高度自动化。内业数据处理自动化率超过，该技术手段可以用作隧道断面收敛、管片错台、中心轴线、三维真实模型、侵界、裂缝、渗水等隧道测量和检测工作。一次扫描即可完成上述多项测量和检测任务，是一种新型高效的全面隧道测量和检测手段。隧道三维激光扫描系统主要由轨道测量小车、超高速相位式激光扫描仪、全站仪、笔记本电脑、电力驱动模块组成。椭圆度检测对于采用盾构法施工的圆形地铁隧道，其断面在设计施工时为圆形，但在外力作用下会变形为离心
7、率很小的椭圆，椭圆度的大小可以表示施工的工艺质量，椭圆度代表圆形隧道管片衬砌拼装成环后隧道最大与最小直径的差值与隧道设计内径的比值，以千分比表示。对区间隧道 环管片进行椭圆度检测，结果如图 所示。图 椭圆度检测结果 由图 可以看出，对检测的 环管片椭圆度基本在 之间，其中最大几环椭圆度超过了，在施工阶段，管片拼装要求衬砌椭圆度允许偏差为 以内，由此推断出该区间隧道受周围地质和人为因素影响较大。病害检测根据隧道病害的种类不同，可以把隧道病害分为以下几种：）隧道结构性渗漏水是指隧道因结构问题导致渗漏水的发生。常根据渗水量及渗漏物的不同，将隧道结构性渗漏水分为湿迹、渗水、滴漏、漏泥。）隧道结构性开裂
8、是指隧道管片开裂、缺角或缺损，管片开裂是指管片表层混凝土开裂；缺角是指管片端部混凝土缺失；缺损是指管片纵缝两侧混凝土片状缺失。）管片错台指相邻管片间发生了相对位移，管片错台是导致隧道差异沉降的主要原因之一，一般隧道验收隧道衬砌环内错台允许偏差 ，衬砌环间错台允许偏差 。）隧道结构变形超标是隧道管片在人为或自然因素导致隧道结构自 测绘与空间地理信息 年身变形较大。对该区间隧道 环管片进行病害检测，数据统计结果表明：隧道结构性渗漏水 处，隧道结构性开裂 处，管片错台最大值达到 。水平直径检测基于三维激光扫描技术对该区间隧道水平直径扫描结果进行了统计，将扫描结果与设计标准隧道水平直径 进行对比分析，
9、对其偏差进行统计分析，结果如图 所示。图 水平直径偏差 由图 可知，对检测 环管片中偏差最大值为，偏差最小值为，平均偏差，总体而言，隧道水平直径总体有变大的趋势。结束语基于三维激光扫描对隧道进行状态调查和分析，实验结果表明：目标隧道管片椭圆度基本在 之间，其中最大几环椭圆度超过了；隧道结构性渗漏水 处，隧道结构性开裂 处，管片错台最大值达到；管片水平直径最大偏差为 ，最小偏差为，平均偏差为。隧道受周围地质和人为因素干扰影响较大。参考文献：保振永三维激光扫描在地铁隧道监测中的可视化分析测绘与空间地理信息，（）：吴乃龙城市轨道交通运营期隧道净空收敛监测方案及应用研究城市勘测，（）：廖海山，李盈洲自
10、动变形监测系统在运营地铁隧道监测中的应用测绘与空间地理信息，（）：，张向阳，钟棉卿三维激光扫描技术在高层建筑形变监测中的应用江西测绘，（）：，郭向前，陈富强，郝伟涛大型建筑物三维激光扫描的流程及精度分析北京测绘，（）：郑贤泽，朱艳军，陶旭三维激光扫描技术在地形测量中的应用分析城市勘测，（）：闻亚，施向丰三维激光扫描技术在中心对称结构古亭垂直度检测中的应用江西理工大学学报，（）：刘君三维激光扫描技术在矿山超深越界治理中的应用地矿测绘，（）：王腾，查剑锋，张民，等基于三维激光扫描的矿区道路沉陷监测研究煤炭工程，（）：张琰，孔祥思，徐西桂基于移动三维激光扫描的隧道结构监测方案研究与应用矿山测量，（）
11、：方俊杰基于地面激光扫描仪的隧道断面提取研究测绘与空间地理信息，（）：，李益斌，陈健地铁隧道自由设站变形监测基准网稳定性检验现代测绘，（）：杨育林，邢斌，李志祥三维激光扫描技术在高铁特大桥梁形位检测中的应用工程勘察，（）：张亚，山锋，王涛三维激光扫描技术点云数据采集与配准研究地理空间信息，（）：编辑：刘莉鑫（上接第 页）（）将单位由字节换算成兆 （，）将数据量四舍五入，保留一位小数 （）获取图层的数据（，）写入第 行图号或区域编号（，）写入第 行总层数（，）写入第 行层名（，）写入第 行数据量 手动填写项根据接边实际情况，如果接边存在遗留问题，手动将问题记录到第 行接边遗留问题中，如果无遗漏问
12、题，则保持代码输出的“无”。结束语元数据是测绘产品的重要组成部分，在生产制作中需用到的数据资料很多，因此在批量生产元数据时需要先做大量的汇总工作。本文结合生产实际，首先对元数据结构进行分析，然后通过 编程及 工具提取需填写的属性信息，最后通过 编程生成 格式的元数据。该生产流程简化了传统元数据的手动填写方式，实现了快速批量化生产，提高了工作效率，降低了错误率，减轻了作业员与质检员的工作量。参考文献：刘燕，张明娟，李春林基于 编程的 元数据自动化归档青海国土经略，（）：苟卫涛，翟群英，李学清，等浅谈基础测绘元数据快速制作测绘标准化，（）：吴学峰，胡红艳，赵淑玲新疆基础测绘元数据自动化生产技术研究测绘与空间地理信息，（）：编辑：张 曦第 期方立伟：三维激光扫描技术在隧道工程中的应用分析
