地面激光掃描技術(shù)在城市軌道交通構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)斷面檢測中的應(yīng)用

劉弟林

(中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300251)

近年來，隨著越來越多的城市軌道交通線路建成并投入使用，其結(jié)構(gòu)安全檢測工作變得愈發(fā)重要[1]。傳統(tǒng)檢測手段多為人工方式按照一定間隔密度采集信息，存在作業(yè)效率低，安全風(fēng)險高，采集的數(shù)據(jù)只能反映局部特征等不足情況。而三維激光掃描技術(shù)可在短時間內(nèi)獲取目標(biāo)豐富的紋理和結(jié)構(gòu)信息，其構(gòu)建的二維影像與三維模型能直觀地反映城市軌道交通線路相關(guān)結(jié)構(gòu)變形情況。目前，脈沖式地面激光掃描儀測距精度可達(dá)1 mm，測角精度可達(dá)0.004°，測距長度可達(dá)6 000 m、激光發(fā)射頻率可達(dá)300 kHz。

已有許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究：何桂珍等將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于隧道收斂檢測[2]；張立等研究了基于三維激光掃描技術(shù)的隧道相對變形測量方法，并將檢測結(jié)果與傳統(tǒng)檢測手段進(jìn)行比較分析[3-4]。但以往研究多基于同一環(huán)內(nèi)隧道管片進(jìn)行變形分析，以下將工程絕對坐標(biāo)系統(tǒng)引入分站式激光掃描中，以獲得整條隧道在施工坐標(biāo)系統(tǒng)下的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使其滿足與隧道設(shè)計結(jié)構(gòu)斷面對比分析的需求[5-6]。

1 激光掃描技術(shù)

激光掃描技術(shù)的基本原理：掃描儀內(nèi)部發(fā)射激光束，經(jīng)旋轉(zhuǎn)棱鏡反射后射向目標(biāo)物，遇到目標(biāo)表面再次反射后被光電探測器接收并生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)(如圖1所示)[7-8]。通過伺服器測量目標(biāo)物與掃描儀間的水平角和垂直角，即可解算出目標(biāo)物在掃描儀坐標(biāo)系下的空間位置信息(如圖2所示)[9]。

圖1 三維激光掃描儀工作原理

圖2 掃描系統(tǒng)坐標(biāo)計算示意

由圖2可得到如下關(guān)系式

(1)

式中，D為兩點(diǎn)間距離值；θ為兩點(diǎn)間垂直角；φ為兩點(diǎn)間水平角。

依據(jù)其測距原理的不同，三維激光掃描技術(shù)主要分為脈沖式和相位式2類[10]。

脈沖式測距是根據(jù)脈沖激光發(fā)射與接收時的往返時間差來計算被測目標(biāo)的距離。優(yōu)點(diǎn)：瞬時功率極高，激光能量集中，具有良好的方向性與抗干擾能力，測距范圍可達(dá)上千米。缺點(diǎn)：掃描速度較慢，測距精度相對較低[11-12]。計算公式為

(2)

式中，D為掃描儀到目標(biāo)點(diǎn)的距離；c為光速；t為脈沖激光信號往返時間差。

相位式測距依據(jù)無線電波段的頻率來調(diào)制激光束，同時量測出調(diào)制光往返過程中的相位延遲，再利用調(diào)制光的頻率計算該相位延遲所代表的距離。優(yōu)點(diǎn)：掃描速度快，測量精度高，可到毫米級，適用于近距離掃描或微領(lǐng)域。缺點(diǎn)：測距較短[13-14]。計算公式為

(3)

式中，D為掃描儀到目標(biāo)點(diǎn)的距離；c為光速；φ為測定的相位差；f為調(diào)制光的頻率。

目前，隨著電子信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，部分激光掃描設(shè)備可以在掃描的同時，采用視覺追蹤技術(shù)，自動完成點(diǎn)云拼接。通過融合慣導(dǎo)、即時定位與地圖構(gòu)建技術(shù)，得到較高精度的位置數(shù)據(jù)，其軌跡重建準(zhǔn)確度較好。

激光掃描技術(shù)工程領(lǐng)域方面的主要應(yīng)用有：地形測量、高鐵構(gòu)筑物測量、鐵路限界測量、三維建模、變形監(jiān)測等[15]。

2 工作流程和數(shù)據(jù)處理

地面激光掃描包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)匹配、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、成果數(shù)據(jù)輸出等流程。

(1)準(zhǔn)備工作主要包含2部分：控制點(diǎn)布設(shè)和掃描站布設(shè)。

(2)采集的原始數(shù)據(jù)包含多個視點(diǎn)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，利用控制點(diǎn)及公共部分?jǐn)?shù)據(jù)的約束關(guān)系，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

(3)數(shù)據(jù)預(yù)處理目標(biāo)是將掃描過程中的外界條件產(chǎn)生的誤差盡可能降到最小。受現(xiàn)場條件限制，有水汽、粉塵等遮擋時，會使掃描數(shù)據(jù)產(chǎn)生噪聲等隨機(jī)誤差，另外，重疊區(qū)域觀測數(shù)據(jù)匹配時容易出現(xiàn)誤差。因此，在利用數(shù)據(jù)之前，需要對這些誤差進(jìn)行預(yù)處理，可采用手工刪除、重疊區(qū)域重采樣等方法。

(4)激光掃描獲取的三維坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)可制作成果包含構(gòu)筑物的各種斷面、三維模型、特征點(diǎn)要素、大比例地形圖等。

3 隧道洞內(nèi)掃描測量

3.1 洞內(nèi)精密控制點(diǎn)布設(shè)

隧道內(nèi)控制點(diǎn)為掃描儀測量提供基準(zhǔn)，其精度直接決定掃描的精度。掃描過程中，需建立高程和平面控制網(wǎng)， 高程控制點(diǎn)可在車站底板上布設(shè)，平面控制點(diǎn)一般采用強(qiáng)制歸心標(biāo)。站內(nèi)的控制點(diǎn)應(yīng)至少布設(shè)3個，以保證控制點(diǎn)位的可靠性。

(1)平面控制網(wǎng)布設(shè)

隧道區(qū)間的精密導(dǎo)線網(wǎng)應(yīng)布設(shè)為附合導(dǎo)線(網(wǎng))，在保證相鄰點(diǎn)之間通視的條件下，區(qū)間內(nèi)的導(dǎo)線平均邊長不大于150 m，曲線段點(diǎn)間距不小于60 m。

(2)高程控制網(wǎng)布設(shè)

隧道區(qū)間的高程控制點(diǎn)與導(dǎo)線點(diǎn)共用，采用不低于二等水準(zhǔn)的測量方法，與車站底板的水準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測后，進(jìn)行嚴(yán)密平差計算獲得高程成果。

3.2 洞內(nèi)多站式數(shù)據(jù)獲取

(1)激光掃描

隧道區(qū)間內(nèi)掃描儀的激光入射角比較大，反射光強(qiáng)度相對較低，對于相位式掃描儀，單側(cè)反射率在20 m內(nèi)可滿足測量需求。結(jié)合導(dǎo)線設(shè)置的情況，一般掃描儀站間距宜控制在36 m內(nèi)(這樣可確保掃描儀單側(cè)掃描距離控制在20 m內(nèi))。掃描儀架設(shè)完成后，將標(biāo)靶架設(shè)在距掃描儀3 m范圍內(nèi)(這樣既能滿足標(biāo)靶拼接的要求，也能在三維激光點(diǎn)云上觀察與選擇標(biāo)靶的中心點(diǎn))。利用全站儀測量本站至少4個標(biāo)靶中心點(diǎn)坐標(biāo)后，采用中密度模式進(jìn)行掃描，結(jié)束后，將掃描儀及標(biāo)靶移至下一站(如圖3所示)。

圖3 自由設(shè)站三維激光掃描

(2)獲取標(biāo)靶坐標(biāo)

在導(dǎo)線點(diǎn)上設(shè)站，采用全站儀測量標(biāo)靶中心點(diǎn)坐標(biāo)。測量時，使用全站儀目鏡中的十字絲瞄準(zhǔn)標(biāo)靶的幾何中心，按照設(shè)定的順序進(jìn)行測量(順時針或者逆時針)。

3.3 掃描儀設(shè)站方式

地面激光掃描的默認(rèn)坐標(biāo)系是以掃描儀幾何中心為坐標(biāo)原點(diǎn)。目前，先進(jìn)的掃描儀系統(tǒng)自帶傾斜感應(yīng)器，可以在已知坐標(biāo)系和掃描儀自身坐標(biāo)系之間建立一套坐標(biāo)轉(zhuǎn)化關(guān)系，有以下幾種設(shè)站方式。

(1)掃描儀任意設(shè)站

全站儀架設(shè)在洞內(nèi)控制點(diǎn)上，標(biāo)靶布設(shè)在掃描儀附近，用全站儀測量標(biāo)靶中心點(diǎn)三維坐標(biāo)。通過嚴(yán)密“七參數(shù)轉(zhuǎn)化”，把以掃描儀中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為已知的坐標(biāo)系。

(2)全站儀模式

標(biāo)靶架設(shè)在已知點(diǎn)上，掃描儀設(shè)于另一個控制點(diǎn)上或者已知方向上，類似全站儀已知后視點(diǎn)的測量方式。該測量方式需要控制點(diǎn)數(shù)量少，利用了掃描儀傾斜改正模式，掃描儀獲取的激光點(diǎn)就是建立在已知坐標(biāo)系上的坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)。因此，該類測量方式靈活，適合于不需要拼接的一站式掃描。

(3)導(dǎo)線測量模式

利用掃描儀的傾斜感應(yīng)器可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)導(dǎo)線測量模式，即建立掃描儀和已知坐標(biāo)系之間的關(guān)系。傾斜傳感器能夠探測掃描儀是否水平，無需拼接大量的標(biāo)靶。掃描儀一般支持閉合導(dǎo)線和支導(dǎo)線2種模式。

3.4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

將地面激光掃描的默認(rèn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到工程施工坐標(biāo)系可采用七參數(shù)法，該方法考慮了坐標(biāo)平移(X0，Y0，Z0)、坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)(εX，εY，εZ)以及尺度變化，共計7個參數(shù)，其在2個不同空間直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換公式為

(4)

進(jìn)一步可簡化為

X″=K×R×X′+X0

(5)

(6)

簡化為

(7)

根據(jù)式(5)，將n個公共點(diǎn)分別減去式(7)，消去平移參數(shù)，則有

(8)

式(8)即為中心化后向量形式的布爾莎七參數(shù)嚴(yán)密解算模型。根據(jù)式(8)，至少需要3個控制點(diǎn)，實(shí)際作業(yè)一般選擇3個以上控制點(diǎn)。

在隧道掃描過程中，利用設(shè)在隧道內(nèi)控制點(diǎn)上的全站儀測量標(biāo)靶施工坐標(biāo)，掃描儀獲取標(biāo)靶的掃描坐標(biāo)，采用最小二乘法得到7個轉(zhuǎn)換參數(shù)的最或然值。一般每站設(shè)置4個標(biāo)靶，在計算過程中剔除殘差最大的標(biāo)靶。

通過七參數(shù)法，將掃描的每一站數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一坐標(biāo)系內(nèi)的施工坐標(biāo)，再把所有站數(shù)據(jù)拼接在一起，就構(gòu)成了一條完整隧道點(diǎn)云模型(如圖4、圖5所示)。

圖4 隧道拼接點(diǎn)云模型

圖5 隧道拼接點(diǎn)云模型

3.5 精度分析

(1) 標(biāo)靶掃描精度分析

標(biāo)靶掃描精度分析是指掃描儀自身獲取標(biāo)靶中心定位精度。在掃描時，掃描儀因測量角度和距離誤差，將最終引起標(biāo)靶掃描定位的誤差。地面激光掃描儀標(biāo)靶掃描定位精度與掃描距離以及反射介質(zhì)有直接的關(guān)系。

選擇一塊距離監(jiān)測標(biāo)識小于20 m的穩(wěn)定區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)設(shè)置4個反射標(biāo)靶，使用HDS6100型掃描儀進(jìn)行高密度掃描，共計掃描10次，任意選取其中3次掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取監(jiān)測點(diǎn)中心坐標(biāo)的差值，如圖6所示。

圖6 掃描監(jiān)測點(diǎn)之間的差值統(tǒng)計

在掃描儀距離監(jiān)測點(diǎn)20 m以內(nèi)時，標(biāo)靶掃描的單點(diǎn)精度為3 mm，將測量距離擴(kuò)大到50 m時，得到標(biāo)靶掃描的單點(diǎn)精度為5 mm。

掃描儀距離監(jiān)測點(diǎn)20 m范圍內(nèi)，選取任意5次掃描中的8個監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行比較，比較互差得出監(jiān)測標(biāo)識的單點(diǎn)與全站儀比較差值為6 mm。將掃描儀距離監(jiān)測點(diǎn)擴(kuò)大到50 m，得出監(jiān)測標(biāo)識的單點(diǎn)與全站儀比較差值為8 mm。

(2)監(jiān)測點(diǎn)布置

將全站儀實(shí)測隧道特征監(jiān)測位置與成果模型的測量值進(jìn)行比較，具體為：對應(yīng)里程上L1、L2、L3、L4、L5、L6處的距離，以及設(shè)計線位的板底(H底)與板頂(H頂)的高度(如圖7所示)。

圖7 盾構(gòu)區(qū)間模型監(jiān)測點(diǎn)位示意

通過與設(shè)計值比較，可以得到沉降及平面位移量；通過與全站儀實(shí)測數(shù)值比較，可以計算監(jiān)測點(diǎn)的變化量精度信息，如圖8所示。

圖8 監(jiān)測點(diǎn)精度檢核

通過監(jiān)測點(diǎn)與全站儀實(shí)際測量值對比分析可知，高程差值及垂直線位方向上的誤差滿足《城市軌道交通工程測量規(guī)范》相應(yīng)的要求。

4 結(jié)論

在城市軌道交通構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)斷面檢測中，地面激光掃描技術(shù)已達(dá)到了全站儀等常規(guī)測量儀器的測量精度，其內(nèi)、外符合精度均滿足《城市軌道交通工程測量規(guī)范》相關(guān)要求，且作業(yè)效率遠(yuǎn)高于常規(guī)測量手段，獲取的激光點(diǎn)云還可用于限界檢測、隧道收斂、錯臺檢測等工作，具有較高的可行性和推廣應(yīng)用價值。