随着城市的快速发展,地铁隧道在城市交通中承担着越来越重要的作用,地铁隧道的实时安全监测是保证其安全高效运营的重要环节。传统的监测手段无法反应隧道的整体变形情况,同时监测效率低、成本高。三维激光扫描技术突破传统的单点测量方法,具有高精度、高效率、非接触性、实时动态等独特优势,为解决隧道监测提供了新的手段。鉴于此,本文围绕隧道点云数据采集、隧道点云处理和隧道点云分析三个方面,研究了三维激光扫描技术应用于隧道监测的多个关键技术。1)首先阐述了三维激光扫描技术的原理,针对三维激光扫描仪在隧道测量中的误差来源,讨论了扫描间距和测站分辨率的确定方法。根据已有的靶标布设和拼接方案,设计了一种基于扫描仪后视点拼接的优化方案,提高测量效率的同时有效避免多站拼接的误差传递;研究了一种改进的ICP算法,将迭代最近点算法应用于临站点云的精细拼接中,不仅解决了扫描仪后视点拼接带来的误差,而且得到了满足隧道变形监测的拼接精度。通过实验证明该方法能达到毫米级拼接效果。2)在隧道点云数据处理方面,实现了基于RANSAC算法的隧道点云滤波去噪和基于八叉树原理的点云压缩精简,结合上海地铁隧道实际点云数据,给出了最佳的滤波和压缩精简参数;研究了空间中轴线截取隧道连续断面的方法,通过断面隧道点云法线的叉乘验证了空间中轴线的提取精度;将截取得到的断面点云通过坐标转换和坐标投影得到二维坐标的断面点云,讨论了五种函数逼近的拟合方法的拟合精度,采用基于傅里叶函数逼近的方法对断面点云进行分段拟合得到最终的断面线,该方法保证了隧道的细节变形,同时更有利于隧道的变形分析。3)实现了隧道的三维重建与可视化并验证其重建精度。研究了基于断面线和基于隧道模型的变形分析方法,前者可以获得单个断面的具体变形情况,后者能得到隧道的整体沉降情况。对开挖的隧道进行了模型的建立,并对其超欠挖情况进行分析,采用栅格划分的方法计算了开挖隧道的超欠挖土方量。