三维激光扫描技术是一项迅速发展的高新技术，它的出现为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段。它具有非接触、精度高、速度快等特点，能大幅节省时间与成本，有效解决数字化信息采集的难题。这些优势使其在虚拟现实、数字城市、文物保护、工程测量等领域有着广泛的应用，是目前国内外测绘领域关注的热点之一^{[1, 2]}。

结构断面检测作为地铁施工检测的一项重要内容，为后期的调线调坡提供数据支持。地铁盾构区间贯通后，需要根据规范要求进行地下导线点、地下水准点布设及测量，然后进行结构断面测量，并将测量结果作为后续线路调整的依据。常规结构断面检测方法为全站仪测量，沈阳地铁建设以来，结构断面的检测工作均采用全站仪方法，以地下控制点为已知点，放样出全部断面所在里程的中心坐标，再按照断面测量要求分别采集每个断面上特征点的数据，测量过程繁琐，工作量巨大，如果后续工作中需要调整线路和坡度，还需要根据新线重新测量断面^[3-11]。本文采用三维激光扫描仪测量代替传统的方法，将其应用于沈阳地铁结构断面检测中，保证测量精度的同时，极大地提高了作业效率。在三维激光扫描仪数据的后处理方面，本文采用了自动化的断面提取方法，对任意里程的结构断面进行批量输出，相对于同类方法的隧道模型断面提取有了较大的改进，既简化了处理流程，也提高了效率。

三维激光扫描仪通过发射和接收激光束测量物体，利用激光束中心进行定位，计算出每个点相对于测站的三维坐标，通过对每个测站处扫描仪采集的大量点云数据的拼接，构建出扫描空间的三维模型^[3]。

本文以沈阳地铁某盾构区间结构断面检测为例，隧道区间地下控制点布设完成后，采用奥地利生产的RIEGL VZ-400型三维激光扫描仪进行点云采集，直接将三维激光扫描仪架设于已知点上，每间隔120 m左右为一个测站对整个隧道进行逐段扫描，如图 1所示。内业工作中利用RISCAN_PRO软件通过格式转换、测站信息输入、方向变换、模型拼接、数据输出等步骤对点云数据进行处理，建立起整条隧道的三维数字模型。

图 1(Figure 1)

图 1 隧道内部扫描结构 Figure 1 Internal Scanning Structure of the Tunnel

结构断面检测通常选择设备安装和行车最容易发生侵限的点，这些点的数据直接影响是否需要调线调坡。针对沈阳地铁盾构区间结构断面，分别需要测量线路中线至左、右侧墙的距离及底板、顶板高程，具体测量点位如图 2所示。

图 2(Figure 2)

图 2 盾构区间结构断面示意图 Figure 2 Structure Profile Diagram of Shield Interval

为了自动获取结构断面上特征点的数值，在隧道区间的三维模型建立后，先将其输出为ASCII格式，再利用中国铁设测绘院开发的三维模型后处理软件批量截取所需里程处的结构断面特征值，并进行成果输出，保存为excel格式。在结构断面截取过程中，先根据线路设计图计算出所需断面里程处的坐标，将全部坐标输入后，生成正射断面线，即可获取线路法截面上每个断面的点云数据; 然后根据图 2中所需提取的结构断面特征点位置设置断面提取参数，批量生成结构断面数据。由于盾构区间的结构断面理论上为圆形，在一定的宽度范围内可采用模型拟合的方法弥补个别位置的点云密度不足的问题。用此方法进行结构断面提取和成果数据输出，完全实现了自动化，准确性和内业处理效率也较现有方法有了极大的提高。结构断面截取示意图如图 3所示，结构断面特征点如图 4所示。

图 3(Figure 3)

图 3 结构断面截取示意图 Figure 3 Interception Diagram of Structure Profile

图 4(Figure 4)

图 4 结构断面特征点 Figure 4 Feature Points of Structure Profile

沈阳地铁九号线某区间全长2.3 km，共布设18个地下控制点，采用平面点与高程点共用的布点方法。由于工程进度需要，要求尽快完成本区间的结构断面检测工作，并且为设计方提供调线调坡后的检测数据。地下控制点精度满足规范要求后，将扫描仪安置于已知点上进行数据采集，然后通过对点云数据的处理建立隧道的三维数字模型，对隧道的空间模型进行结构断面的自动化提取后输出结构断面的特征值，如表 1所示。

表 1(Table 1)

表 1 结构断面测量成果表 Table 1 Structure Profile Results

表 1 结构断面测量成果表 Table 1 Structure Profile Results 里程/m 测点位置 线路中线至左边墙/mm 测点位置 线路中线至右边墙/mm H底 H顶 设计宽度 实测宽度 差值 设计宽度 实测宽度 差值 设计值/m 实测值/m 差值/mm 设计值/m 实测值/m 差值/mm 12 460 A3 2 065 1 937 -128 B3 2 065 2 216 151 17.160 17.163 3 22.560 22.569 9 A2 2 524 2 390 -134 B2 2 524 2 669 146 A1 1 957 1 824 -133 B1 1 957 2 103 146 12 470 A3 2 065 1 944 -120 B3 2 065 2 192 127 16.970 16.975 5 22.370 22.375 5 A2 2 524 2 403 -121 B2 2 524 2 650 127 A1 1 957 1 837 -120 B1 1 957 2 085 128 12 480 A3 2 065 1 923 -142 B3 2 065 2 208 144 16.780 16.792 12 22.180 22.188 8 A2 2 524 2 383 -140 B2 2 524 2 669 146 A1 1 957 1 819 -138 B1 1 957 2 104 147 12 490 A3 2 065 1 938 -127 B3 2 065 2 190 126 16.590 16.585 -5 21.990 21.981 -9 A2 2 524 2 399 -124 B2 2 524 2 652 128 A1 1 957 1 834 -123 B1 1 957 2 087 129 12 500 A3 2 065 1 943 -122 B3 2 065 2 196 132 16.400 16.401 1 21.800 21.803 3 A2 2 524 2 400 -123 B2 2 524 2 654 130 A1 1 957 1 835 -122 B1 1 957 2 088 131

通过对本区间的应用，采用三维激光扫描仪方法检测，每测站用时10 min，全隧道扫描共用时180 min。以直线段每10 m、曲线段每5 m为间隔，本区间共检测断面315个，若以全站仪方法检测，预计用时3 150 min完成全部断面检测，由此看出，采用三维激光扫描仪方法较传统方法在数据采集效率上有很大提高。另外，通过全站仪测量数据与扫描仪采集数据进行对比，如表 2所示，结构断面上各特征值的差值均小于20 mm。由于扫描仪数据采集时直接将仪器设置于已知点，在三维模型建立过程中没有累计误差存在，结构断面的截取也完全基于线路的法截面，因此，扫描仪获取的线路中线至边墙的距离有较高的精确度，尤其在曲线段落。在数据处理方面，三维扫描技术在空间模型建立、结构断面提取及成果输出各步骤均实现了自动化，节省了传统方法中内业数据整理的时间。

表 2(Table 2)

表 2 扫描仪与全站仪数据对比表 Table 2 Data Comparison of 3D Laser Scanner and Total Station

表 2 扫描仪与全站仪数据对比表 Table 2 Data Comparison of 3D Laser Scanner and Total Station 里程/m 测点位置 线路中线至左边墙/mm 测点位置 线路中线至右边墙/mm H底 H顶 扫描仪采集值 全站仪测量值 差值 扫描仪采集值 全站仪测量值 差值 扫描仪采集值/m 全站仪测量值/m 差值/mm 扫描仪采集值/m 全站仪测量值/m 差值/mm 12 460 A3 1 937 1 924 13 B3 2 216 2 208 8 17.163 17.162 1 22.569 22.568 1 A2 2 390 2 386 4 B2 2 669 2 661 8 A1 1 824 1 816 8 B1 2 103 2 102 1 12 470 A3 1 944 1 960 -16 B3 2 192 2 179 13 16.975 16.970 5 22.375 22.367 8 A2 2 403 2 414 -11 B2 2 650 2 641 9 A1 1 837 1 853 -16 B1 2 085 2 070 15 12 480 A3 1 923 1 941 -18 B3 2 208 2 205 3 16.792 16.783 9 22.188 22.174 14 A2 2 383 2 402 -19 B2 2 669 2 660 9 A1 1 819 1 837 -18 B1 2 104 2 095 9 12 490 A3 1 938 1 954 -16 B3 2 190 2 199 -9 16.585 16.576 9 21.981 21.969 12 A2 2 399 2 414 -15 B2 2 652 2 652 0 A1 1 834 1 845 -11 B1 2 087 2 091 -4 12 500 A3 1 943 1 963 -20 B3 2 196 2 196 0 16.401 16.400 1 21.803 21.792 11 A2 2 400 2 416 -16 B2 2 654 2 652 2 A1 1 835 1 853 -18 B1 2 088 2 085 3

通过三维激光扫描技术在沈阳地铁某区间结构断面检测过程中的应用，在较短的时间内完成了数据采集、数据处理和成果输出，在时效上实现了传统方法无法完成的目标; 通过与全站仪检测数据的对比，证明了将此方法应用于结构断面测量中在测量精度上的可行性; 隧道空间模型建立后，在结构断面的提取和成果输出上实现了自动化，相较于同类测量方法在内业效率上有了较大提高; 由于隧道空间数据的唯一性，如需要增加断面测量密度或发生调线调坡需要重新测量结构断面时，只需在断面提取步骤中输入新坐标即可，省去了重新外业测量及隧道模型建立的时间，真正做到了事半功倍。综上所述，本文中所采用的三维激光扫描技术检测结构断面方法较常规方法有较多的优势，可以在沈阳地铁测量工作中进行推广。