近年来,随着我国城市化进程的加快,城市建设的规模越来越大。但是受到有限的道路资源的影响,城市面临的地面交通压力越来越大。于是,很多城市开始建设地下轨道交通。地铁隧道是一条狭长且封闭的地下空间,在施工及运营过程中,为保证结构安全需要对地铁隧道结构进行变形监测。使用全站仪等常规的监测方法受环境影响大,效率低。随着三维激光扫描技术的快速发展,测量精度的提高,日益广泛的应用在精密工程测量中,为地铁隧道的变形监测提供了一种新型高效率的技术方法。本文使用FARO Focus 3D X330三维激光扫描仪获取的沈阳地铁2号线奥体中心站至营盘街站区间的一段隧道点云数据。使用CloudCompare点云处理软件和Matlab数据分析软件对地铁隧道点云数据进行滤波去噪、断面点云提取及变形分析,本文主要研究内容和成果如下:(1)介绍了地铁隧道监测以及三维激光扫描技术在隧道监测中应用的研究现状,确立了首先提取隧道中轴线,再根据中轴线的位置截取隧道断面点云数据,最后进行隧道断面的变形分析的技术路线。(2)对隧道点云数据进行滤波去噪预处理。本文提出一种有效的组合滤波方法:首先利用统计滤波法对隧道点云整体进行滤波,剔除离群的大噪声点,然后根据点云数据高斯曲率的不同分别采用改进的均值滤波法和双边滤波法进行平滑处理。为隧道断面提取和变形分析提供了更准确的基础点云数据。(3)隧道的曲线拟合方法的研究。根据四种常用的曲线拟合的方法,通过实验对比分析,结合随机采样一致性算法,对最小二乘法进行改进。采用此方法作为提取隧道中轴线以及对断面轮廓线拟合变形分析的曲线拟合方法。(4)隧道断面点云数据的提取。本文通过分析现有的提取方法,结合隧道的几何特征,提出了一种可以拟合出隧道的空间中轴线的方法。再根据中轴线的切向量与隧道断面平面的正交关系,截取出一定厚度的点云切片作为隧道断面的点云数据。通过对隧道点云切片实验分析,选取了本文最佳断面厚度参数。(5)对隧道断面进行变形分析。将提取的隧道断面点云数据进行平面投影并拟合为椭圆曲线,根据计算得出拟合椭圆的长半轴和短半轴以及设计半径,分别对地铁隧道单期数据、多期数据和隧道环向进行变形分析。通过本文的一系列研究可以在一定程度上证实将三维激光扫描技术运用在隧道监测中具有可行性,为接下来的研究工作提供有效的参考建议,具有较强的实用性。