三维激光扫描技术在城市地下空间测量中的应用研究

摘要：随着科技的不断发展，我干呕的测量技术也在不断的完善，为验证三维激光扫描技术在城市地下空间测量中应用的可行性，本文在实验基础上，叙述其应用的过程、点云拼接的方法、工作效率，推证评定扫描精度的原理等。实验结果表明，扫描测图和全站仪测图比较，外业工作的时间前者是后者的1/3，内业成图时间后者是前者的3倍，前者的平面精度为2．6cm，后者为4．6cm，证明三维激光扫描技术不但可用于城市地下空间测量，而且具有较高的效率。 关键词：三维激光扫描仪；地下空间测量；精度 引言

随着我国经济水平的快速发展，城市化进程也显著加快，随之而来的一些城市问题开始显现出来，如人口密度增加、交通拥堵、环境污染，甚至基本的公共生活设施难以保障。如何解决上述问题，是城市进一步发展的前提。近年来，城市地下空间的开发和利用开始走入人们的视野。城市地下空间的有效利用，在一定程度上有效地解决了城市发展过程中出现的问题。地面三维扫描技术作为时代的潮流应运而生，它的出现有效地解决了上述问题，成为城市地下建设不可或缺的重要成员。

1三维激光扫描技术

三维激光扫描技术通过发射激光脉冲信号对实物进行扫描获取信息，然后通过计算信号发出和接收的时间差确定扫描物距测量点的位置，并同时根据扫描仪旋转的角度，将实物呈现到设备定义的三维空间坐标系中，反映给施工者。其工作原理图如图1所示。三维激光扫描技术作为一种高新技术，集光、电、机和计算机为一体，具有扫描速度快、测量范围大、精度高的特点，可在水平面360°，垂直90°~270°范围内扫描。且激光具有穿透性，可扫描被透明介质遮挡的实物。对于体积较为庞大的实物，可以通过布置多个标靶进行扫描，获得不同视角的数据，通过拼接的方法得到实物的全图。 2地下空间结构测绘中的应用

采用三维激光扫描技术，通过发出的脉冲信号进行探测，可真实地还原实物的原貌，相对于以上方法，具有操作简单、快捷、准确的特点。使用地面三维激光扫描技术对地下城市空间进行数据采集，具体的操作流程为：控制点布设—地下空间结构扫描—内业数据处理—数据质量审查—数据建模—数据制图。有时也可以不用布设控制点，直接将标靶放置在扫描视角内，直接对相邻的两标靶之间的实物进行扫描。以某一地下通道空间数据的获取为例，通道内为平滑建筑物，转角均为90°，建筑物与地面垂直，可视为规则结构。空间数据获取过程中，没有布设控制点，而是采用布设标靶。扫描过程中设置两台扫描仪，布置3个标靶。首先，在合适的公共区域布设3个标靶，目的是以标靶为基准，在不同角度扫描时，均有标靶作为参考，便于后期数据拼接。在2测站点各放置1台三维激光扫描仪，连接计算机和三维激光扫描仪，并保持通讯，确保启动三维激光扫描仪时计算机同时开启。此时，地面上会出现仪器激光束，找准激光的位置并做好相应的标记，然后即通过控制计算机的软件界面进行扫描仪的数据采集工作。具体工作如下。1）获取扫描影像。扫描仪开机自检后会有一个零方向，通过这个零方向，可以确定扫描的目标，对选择的区域进行摄影，获取扫描影像。2）点云数据获取。在获取影像信息后，仪器会自动完成建筑物三维坐标的选取。为获取品质比较高的点云数据，要根据现场需求，不断调整，设置合理的距离参数；然后

根据所需精度，设定相应的分辨率，分辨率的设定并不是越高越好，满足需求，能得到高质量点云数据即可。在上述参数设定完成后，扫描设备会自动获取空间信息，即开始自动扫描空间结构。3）扫描标靶点云数据。在扫描过程中，布设了3个标靶，目的是可以切换扫描坐标系，对于被障碍物遮挡的建筑物，可以通过转换扫描视角获取相应的点云数据，然后通过它们之间的相似性连接成一个整体。这些标靶信息就是所谓的具有相似性的数据，因此，获取高精度标靶点云数据尤为重要。重新选择标靶，获取影像信息，通过对标靶扫描可得到高精度点云数据。由此可见，使用地面三维激光扫描技术对地下空间结构进行测绘，大致步骤为：现场踏勘—标靶布设或布设控制网—影像获取—点云扫描—标靶点云精细扫描—后期处理。通过地面三维激光扫描技术可以很方便地获取地下三维空间结构图，较传统的测量方法，具有高效、准确、方便的优点。 3地下设施普查测量中的应用

为确保地下设施普查测量的准确性，可选择对已知的设施进行测量。据相关文献报道，对路线长度为969m，地面高度差为6m的设施进行普查测量时，为方便采点，选择在路面进行。测量过程中共布设了11站三维激光扫描仪，相邻2站之间布置4个公共标靶，通过标靶进行扫描取点云数据，然后将所得数据拼接到同一坐标系中。普查测量结果表明：在标靶拼接匹配最大差值为6mm时，测得平面位置误差为±0.051m，高度误差为±0.023m，测量结果如图2，图3所示。在以上测量的基础上，采集所有标靶点的点云数据，把所有标靶点成果导入到仪器所带有的软件中，将转换后的点云数据与采用全站仪所得到的数据进行统计分析，结果表明：平面误差为±0.037m，高度误差为±0.028m。通过这两次测量结果分析，三维激光扫描仪具有和全仪站测量相当的精度。通过以上数据分析证明，可以采用三维激光扫描技术进行地下设施的普查测量工作；通过标靶将各测点站拼接到统一坐标系，然后进行坐标变化的测量方法可以满足精度要求。 4地下护层厚度测量中的应用

在城市地下洞库（车库、储藏室）建设中，采用的主要支护方式为锚喷支护。混凝土与锚杆和围岩构成一个整体，作为洞库承载体，进而限制围岩变形和自由延伸；另一方面，支架的节理面可以通过喷射混凝土进行填充，并填补超挖区域，保证洞室表面尽量光滑。还可调整围岩应力分布情况，防止坠落岩体等危险事故的发生。在实际操作中，更多的是采用围岩打孔的方式测量喷射混凝土的厚度，这样不仅效率低、成本高、还破坏了现有的支护结构。利用地面激光三维扫描仪对施工前后结构进行扫描，通过对支护前后两期的尺寸进行分析，可以方便地计算出各个位置混凝土喷层厚度情况。相较于原有的方法，不仅高效、安全，而且最大程度地避免了对支护结构的破坏。采用三维扫描技术，通过分析围岩的节理分布情况，可以对喷浆支护效果做出更好的评价，对喷浆后的洞室表面光滑度进行定量分析，从而对其应力进行分析，确定是否存在聚集部位，以便采取下一步支护措施，确保工程的安全。 结语

随着城市化进度的加快，城市地下空间的开发建设工作也会不断加快脚步，地面三维激光扫描技术因其独特的优势，也会受到人们越来越多的关注和应用。随着地面三维激光扫描技术的不断应用，它也会不断地进行完善。地面三维激光扫描技术不仅在城市地下空间建设中有着重要的作用，相信在越来越多的行业也会出现它的身影。 参考文献：

［1］谢宏全，高祥伟，邵洋．地面三维激光扫描仪测距精度检校试验研究［J］．测绘通报，2013（12）：25－27．

［2］刘春，张蕴灵，吴杭彬．地面三维激光扫描仪的检校与精度评估［J］．工程勘察，2009，37（11）：56－60．

［3］冒爱泉，朱益虎，郝思宝，等．地面三维激光扫描仪精度测评方法和误差改正模型研究［J］．测绘通报，2014（2）：72－75．

［4］韩三琪．三维激光扫描仪单点精度的检验与分析［J］．铁道勘察，2013（6）：9－11．

［5］王鸣霄，戴相喜，王正强．三维激光扫描仪点位精度检测研究［J］．城市勘测，2013（6）：79－81．