三維激光掃描技術在高速公路沉降監(jiān)測中的應用

成 樞,朱玉明,牛英杰,董加江

(1.山東科技大學測繪科學與工程學院，山東 青島 266590；2.山東天昀和測繪工程有限公司，山東 淄博 255000；3.山東新陶陽礦業(yè)有限責任公司，山東 肥城 271624)

交通工程的正常運營是現(xiàn)代社會穩(wěn)定運行的基礎, 由于外界因素以及結構本身缺陷等作用, 交通工程結構使用性能衰退, 安全與耐久性降低, 甚至會出現(xiàn)安全事故。通過科學有效的方法對交通工程進行合理的檢測與評定, 是對交通工程進行預防性養(yǎng)護管理, 維修加固的重要手段[1]。

三維激光掃描技術是一項新興的獲取物體空間數(shù)據(jù)的方式, 具有精度高、速度快、非接觸測量及穿透能力強等特點, 從而能夠獲取物體表面的信息特征[2-4]。在國內外被廣泛應用于數(shù)字城市建設、滑坡監(jiān)測、變形監(jiān)測、地形測繪、建筑測繪、文物保護、三維模型重構、土石方算量等領域[5-6]。本文通過簡略介紹三維激光掃描技術的原理, 并結合具體的測量案例闡述三維激光掃描技術在高速公路沉降監(jiān)測中的應用。

1 三維激光掃描技術原理

三維激光掃描獲取的點都帶有三維坐標，與全站儀測量原理基本類似，是由測角、激光測距和輔助系統(tǒng)組成的。獲取點云的坐標系是掃描儀自身的儀器坐標系。掃描儀的中心位置定義為坐標原點O，Z軸垂直于儀器的橫向掃描面豎直向上，X、Y軸在坐標系的水平面上，Y軸常是掃描儀的激光發(fā)射方向，X軸垂直于YOZ平面向右，構成了右手直角坐標系[7-9]。三維坐標測量原理圖如圖1所示。

圖1 三維坐標測量原理圖

圖中，斜距S是被測物體表面任意點P到掃描儀中心的距離，水平角α是橫向掃描角度值，豎直角β是縱向掃描角度值。

任意被測點P的坐標公式如式(1)所示[10]。

(1)

2 數(shù)據(jù)采集與預處理

2.1 研究區(qū)概況

S市城市軌道交通4號線三期主體工程4301標段清湖北站-竹村站區(qū)間盾構段隧道設計為兩分離盾構法隧道單洞。盾構機上方為JH高速路面，為了預防JH高速公路路面出現(xiàn)明顯下沉和突變，影響JH高速公路的正常通行，甚至出現(xiàn)安全事故，要求掘進過程中必須要嚴格監(jiān)測高速公路沉降變化量，整個沉降周期的變化值不能超過3 cm。

由于JH高速公路的特殊性：客流量大，監(jiān)測工作不能影響高速公路的正常運行，更不能封路，為了保證JH高速公路監(jiān)測項目的正常安全進行，決定采用Trimble SX10全站掃描儀對高速公路進行全面科學的監(jiān)測。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

本文通過對兩個時期點云數(shù)據(jù)的采集、處理以及變形分析，同時將其與二等水準監(jiān)測結果作對比，分析三維激光掃描技術應用于礦區(qū)高速公路沉降監(jiān)測的可行性。

根據(jù)現(xiàn)場情況，設置了2個測站點以及8個監(jiān)測點。在測站點架設SX10全站掃描儀并后視建站，平面坐標系及高程坐標系均為獨立坐標系，假定K1點坐標為(2 000，1 000，20)，K1K2方位角為90°，使用全站儀功能，測出8個監(jiān)測點位的坐標，方便后期在點云數(shù)據(jù)中選取相同位置與水準測量做變形分析的比較。之后對目標區(qū)域進項掃描獲取點云數(shù)據(jù)，在車輛過多時或者距離過遠時可以多掃幾遍，以防止點云稀疏對點云后處理造成影響。

同時使用天寶DiNi電子水準儀對監(jiān)測點進行二等水準監(jiān)測。

圖2 點位分布圖

2.3 點云數(shù)據(jù)預處理

實驗使用的是天寶SX10全站掃描儀采集點云數(shù)據(jù)，外業(yè)采集數(shù)據(jù)時需要建站，因此采集到的點云數(shù)據(jù)都帶有絕對坐標信息，不需要轉換坐標系，也不需要進行配準，所以數(shù)據(jù)預處理比較簡單。本次數(shù)據(jù)處理主要是點云數(shù)據(jù)的去噪和精簡。

噪聲對點云的建模和對比分析影響很大，因此必須對點云數(shù)據(jù)進行去噪。使用TRW軟件中的“分割”功能，對點云進行手動去噪。

圖3 對點云數(shù)據(jù)進行去噪

掃描儀掃描時，一定范圍內的點云數(shù)據(jù)點云密度較大，距離越遠，掃描到的點云越稀疏。因此獲取的點云數(shù)據(jù)有一部分點云密度很稀，無法使用。需要進行點云精簡，否則會影響變形分析。

3 點云數(shù)據(jù)后處理

高速公路的沉降量可以通過比較點云到參考模型的距離獲得，在此將該方法簡稱C2M。因本文是對公路路面進行建模，公路路面沒有明顯的特征點、線，只能使用曲面重構法進行建模，同時由于自身條件因素，選用Geomagic control軟件對公路進行建模與分析。具體的實驗流程及結果如下。

表1局部位置沉陷量表

圖4 對點云數(shù)據(jù)進行精簡

首先導入數(shù)據(jù)，將預處理后的兩期點云數(shù)據(jù)分別導入到Geomagic control中，在這里選擇第一期測量數(shù)據(jù)作為基準點云數(shù)據(jù)，最后一期測量數(shù)據(jù)作為比較數(shù)據(jù)。

選定基準點云數(shù)據(jù)，將其生成模型并將生成的模型設置為參考模型。

圖5 基準點云生成的模型

將最后一期數(shù)據(jù)與參考模型進行對比得到的變形值通過色譜圖顯示出來,并通過“比較點”查看需要的局部位置的變形值。

由3D分析色譜圖和局部位置沉陷量表可知，高速公路路面大部分區(qū)域都發(fā)生了沉降，但是沉降都不大，沉降量集中在0～2 mm之間。沉降區(qū)域變化最大的主要是在隧道下穿區(qū)域上方，沉降量基本都在4～6 mm左右，有小部分區(qū)域沉降量較大，達到了9.024 mm，但是沒有超過10 mm，在要求的30 mm的規(guī)定范圍之內，可以繼續(xù)安全施工。

圖6 3D分析色譜圖

4 精度分析

本研究中外業(yè)采集數(shù)據(jù)時需要建站，因此采集到的點云數(shù)據(jù)都帶有絕對坐標信息，不需要轉換坐標系，也不需要進行配準，因此沒有配準及拼接誤差。掃描精度為1.5 mm，利用Geomagic control軟件對高速公路進行建模與分析，因此首先需要對模型的精度進行分析，分析實驗是導入同一期點云數(shù)據(jù)兩次，將第一次的點云建模，與第二次導入的點云做3D分析，平均偏差為-0.008 1 mm，均方根值為1.513 5 mm，模型精度較高。將三維激光掃描獲取的沉降值與二等水準沉降值對比如表2所示，兩者較差最大為2.39 mm，沉降值對比圖如圖3所示，可以看到兩者變化趨勢基本一致，且偏差較小。

表2 沉降值對比表

5 結 語

本文采用SX10全站掃描儀采集監(jiān)測區(qū)內高速公路的兩期點云數(shù)據(jù)，使用天寶TRW軟件對點云進行預處理，選用Geomagic control軟件進行點云數(shù)據(jù)后處理獲取了監(jiān)測區(qū)沉降情況，得出如下結論：

圖7 沉降值對比圖

(1)隧道施工對公路產(chǎn)生了影響，使其公路路面大部分區(qū)域都發(fā)生了沉降，小部分區(qū)域沉降量較大，達到了9.024 mm，但是沒有超過10 mm，在要求的30 mm的規(guī)定范圍之內，可以繼續(xù)安全施工。

(2)通過對三維激光掃描技術與水準測量的對比得出，使用三維激光掃描技術進行公路沉降監(jiān)測，突破了傳統(tǒng)單點測量方式的局限性，具有非接觸、高精度、高效率的測量優(yōu)勢。將三維激光掃描技術應用于公路沉降監(jiān)測具有一定的可行性及應用價值。