移动三维激光扫描技术在地铁运营监测中的应用

摘  要：在地铁运营期间，传统检测方式往往面临效率不高、耗费人力较多、自动化程度相对不足等问题。移动三维激光扫描技术借助高速扫描、海量点云采集以及精准定位等特点，为地铁隧道运营监测提供了高精度、稳定性强的数字化解决方案。本文针对地铁隧道收敛、错台等结构变形风险，结合实测工程案例，阐述了移动三维激光扫描系统的硬件构成、作业流程与数据处理方法，并详细分析了隧道现场检测与人工复核结果之间的吻合度。通过多维度实证分析，移动三维激光扫描技术在地铁运营监测中展现出广阔的应用前景。

关键词：地铁运营监测；三维激光扫描；隧道收敛检测

一、扫描系统组成及原理

1. 硬件结构

移动三维激光扫描系统通常由激光扫描仪、里程计（或编码器）和控制单元等关键部件构成。激光扫描仪在地铁隧道动态检测时，需要满足分辨率高、距离测量稳定、角度观测范围大的技术要求，并通过快速旋转镜面或多线束激光实现大视场范围的点云数据获取。里程计则通过与移动载体的同步联动，记录扫描过程中每一时刻的位移变化。控制单元一方面负责硬件之间的信息交互，另一方面可以将里程计输出的位置信息与激光扫描仪生成的点云数据进行初步组合，并在作业过程中实时显示系统状态。本研究采用的移动扫描系统装载于精密快速动态检测小车上，扫描频率可达数百kHz至上MHz量级，能够在相对较快的行驶速度下获取高密度点云。由于地铁隧道内部空间有限，对设备的外形尺寸及抗振性提出了一定要求，因此控制单元与电源系统均进行了减振与抗干扰设计，力图提升硬件的整体稳定度。

2. 工作机理

三维激光扫描仪的工作机理主要基于脉冲激光测距或相位式测距原理，通过发射激光束并接收目标物表面反射的光脉冲来测定空间距离。在隧道检测应用中，扫描仪以较高频率进行360°或多方位旋转，形成单条或多条激光束线，扫描过程中每个采样点的距离、水平角和垂直角会被实时记录。随后，扫描仪将大量的点位信息以XYZ坐标或极坐标的方式存储，并与里程计输出的位移信息进行时间匹配。

为了得到地铁线路的整体三维模型，需要将扫描仪坐标系与外部坐标系精确关联。该过程常借助轨道基准点或车站内已知控制点实现初始坐标转换，并在小车行进过程中持续更新设备姿态。通过对海量点云的拼接与融合，能够建立精细的隧道结构数据信息，为后续的错台、收敛以及其他病害评估提供支持。

二、作业流程及数据处理

1. 外业数据获取

外业阶段主要包括准备与现场实施两大部分。准备环节需要核对测区范围和隧道几何情况，并对检测车辆、激光扫描仪和里程计进行开机调试，校核其精度与工作状态。现场实施时，将系统置于带有导向定位功能的检测小车上，沿隧道区间以3～4 km/h的速度匀速前进。扫描仪在行进期间持续获取隧道内壁、轨道、管片接缝等位置的三维坐标信息，里程计则相应记录小车行驶过程中的累计里程和角度变化。

当小车经过较小曲率半径或特殊结构区域时，需要适度降低行进速度，以取得更加均匀和准确的扫描数据。为减少数据盲区或噪声影响，在隧道内转弯或站台附近应保证激光扫描仪的视场尽量无遮挡。必要时，可在地铁运营间隙进行多次反复观测，并保留不同方向的扫描成果。

2. 内业信息分析

（1）数据清洗与滤波

内业阶段的第一步是对原始数据进行清洗与滤波。由于隧道检测场景存在各种施工痕迹和运营设备，少量无关点云或噪声数据在所难免。常用的滤波方法包括基于统计学的离群点检测和基于空间聚类的噪声剔除。

针对密集点云数据，可以优先根据强度信息和距离阈值区分可能的非隧道部分，然后再按照高斯滤波、卷积滤波等方式去除零星孤立点。通过此步骤，得到较为规整的隧道内部点云，为后续拼接与坐标转换奠定基础。

（2）点云拼接与坐标转换

点云拼接是指将分段获取的扫描成果连接成完整的三维模型。地铁线路通常较长，且沿线会有多个车站和区间，为使每个区间的扫描数据在同一坐标系统下呈现，需要在隧道内布设若干控制点或使用车站已知坐标点进行辅助定位。

拼接时，通常通过ICP（迭代最近点）算法或基于特征识别的配准算法来提高相邻扫描段之间的匹配精度。完成拼接后，将融合后的点云转换至工程坐标系，并按照地铁设计文件或相关技术规程进行坐标对齐。

当整体点云处理完毕，即可提取任意断面轮廓和几何参数，如圆度、椭圆度、水平直径、结构宽度等，为隧道收敛和错台检测带来量化依据。

三、工程应用

1. 工程概况

在某市轨道交通5号线一期项目中，整体主线长度达18.2公里，附带的出入段线长约1.2公里，全线下设15个地下站台及一个车辆段。大部分隧道区段利用盾构法进行施工，而选定的几个站点则通过明挖方式构建。初期运营阶段，该线路采用了高级动态检测车辆，配备了高频率Leica P30激光扫描仪（频率接近1000 kHz，转速可达100 r/s）和精准的里程计及控制系统。这套设备能够对隧道进行详尽的三维激光扫描，实现精度高达±8秒的角度观测和1.2毫米加上10-6 D公里（D为实测距离）的距离测量精度，确保扫描数据的高度一致性。在3到4公里每小时的速度下，通过精确标定，确保激光扫描与定位系统之间的完美对接，提升了隧道检测的准确性与可靠性。

2. 隧道收敛与错台检测

对地铁隧道的收敛检测，主要是分析管片之间的间隙以及隧道断面的圆度、椭圆度和直径变化情况。扫描完成后，可从三维点云中提取任意断面，将其与设计断面进行对比，计算环向和纵向方向上的半径差值，并进而判断该区域是否发生明显位移。错台检测则侧重管片相邻部分高差的变化，可借助切片法或基于邻域特征的检测算法来评估错台现象。

在本工程中，为提高检测效率，系统对每段隧道环进行自动化搜索，标记出潜在的高差点，再结合周边点云进行过滤。随后，通过判定超过一定阈值的点云区块，即可快速锁定错台位置。该方法具有较高的辨识率，并且适合长距离运营线路的全面巡查。

3. 水平收敛结果分析

经内业处理后，可在隧道全断面选定若干截面进行水平向收敛量测算。根据盾构区间的设计要求和周围地质情况，不同地段的容许收敛量可能略有差异。实际检测时，提取的隧道椭圆度主要集中在几毫米至十几毫米范围内，大部分隧道仍较接近设计圆度，有个别深埋区段表现出稍大的椭圆度值。通过比对历次测量数据，还能够判断收敛量的累积趋势。若收敛较小且变化缓慢，说明隧道结构稳定性总体较高。只有极少数区段出现了过阈值的水平收敛，后续将结合运营条件与地质环境作进一步复核。

3. 错台结果分析

错台现象通常体现在相邻管片连接处，如果该处存在明显的高差或侧向位移，便可被算法提取并标记。在本次检测中，绝大部分管片之间的高差小于5 mm，仅在个别盾构始发与接收位置附近出现高差达到6 mm的情况。根据点云切片显示，这些超限区域分布范围较为局限。在对可能的错台区域进行现场图像比对后发现，大多数高差偏大处对应地层软硬交界或盾构始发区段。点云分析与隧道现场检查基本一致，为后续的地铁隧道运维和及时加固提供了依据。

4. 错台人工复核

人工复核主要采用高精度测距仪或钢尺配合对讲机通信完成。为了验证点云判定结果，会在同一环片附近人工测量管片接缝高差，测量点选取在高差相对集中的部位，并与三维扫描所得数据进行逐点对照。

从抽检结果看，人工作业与三维激光扫描数据之间的差异以1～2 mm为主，极少数测点达到3 mm，但整体趋势相符。尤其是在几处存在突出裂缝或衬砌损伤部位，扫描与人工测量的高差数值基本一致。说明基于三维激光扫描的错台检测能够维持较高的精度。

5. 收敛人工复核

对收敛量的人工复核可借助断面测量方法完成，通常在同一横断面上选取不少于4个基准点，通过传统经纬仪或激光测距辅助，对多个基准点之间的距离和角度加以测定，并与前期设计断面进行比较。在此次工程中，对于椭圆度较明显的区段，会优先对半径偏差较大的方向进行人工复核。结果显示，人工观测值与点云提取值的差距多在2 mm以内，对于椭圆长轴或短轴的测定均可以维持较高的一致性。

四、结语

通过对移动三维激光扫描技术在地铁运营监测中的应用分析，可以发现，该技术在效率、精度和稳定性方面均具显著优势。在实际工程中，利用高频扫描与精密定位，不仅能够全面捕捉隧道结构的三维信息，还为收敛检测和错台评估提供了可靠支持。多维度的点云数据处理进一步提升了监测结果的准确性，为地铁隧道的运营维护奠定了扎实基础。结合人工复核结果，验证了扫描系统的可靠性和精度，展现出其在地铁运营监测中的广泛适用性和应用潜力。

参考文献

[1] 胡炎.三维激光扫描在运营地铁隧道收敛变形监测中的应用[D].绍兴文理学院,2023.

[2] 邹文静.移动三维激光扫描在铁路既有线复测中的应用[J].城市勘测,2022,(03):129-134.