基于三維激光掃描技術(shù)的豎井聯(lián)系測(cè)量及應(yīng)用研究

王智，梁顯宏，李效超，孫曉麗，周志，3

(1.青島市勘察測(cè)繪研究院，山東 青島 266032； 2.青島市西海岸基礎(chǔ)地理信息中心有限公司，山東 青島 266555；3.青島市地下空間地理信息工程研究中心，山東 青島 266032)

1 引 言

豎井聯(lián)系測(cè)量是將工作井上面的地面坐標(biāo)和高程傳遞到井下，以便于在工作井下面進(jìn)行開挖作業(yè)等建設(shè)工作[1]。對(duì)于幾十米左右深度的豎井，如地鐵施工豎井，主要采用吊鋼絲的方法，即先在工作井頂部搭接固定的鋼架，在鋼架上懸掛兩根鋼絲，鋼絲末端懸掛重錘伸到豎井底部，為確保鋼絲穩(wěn)定，通常將重錘放置于阻尼液中[2]，分別在工作井頂部和底部的兩根鋼絲上粘貼反射片，在井上、井下適當(dāng)位置處架設(shè)全站儀測(cè)量反射片的邊角關(guān)系，進(jìn)而解算出井下控制點(diǎn)的坐標(biāo)[3]，高程則需要懸掛鋼尺進(jìn)行傳遞，該方法作業(yè)煩瑣，占用工作井時(shí)間長，僅搭接鋼架、懸掛鋼絲以及等待重錘穩(wěn)定的時(shí)間就要至少1個(gè)多小時(shí)[4]。而對(duì)于深度較大的礦井巷道等工程，傳遞坐標(biāo)則通常采用陀螺儀[5]，該方法雖然前期準(zhǔn)備工作短，但是陀螺儀設(shè)備昂貴，常規(guī)型號(hào)精度低，且測(cè)量時(shí)間較長，因此在常見的豎井聯(lián)系測(cè)量中應(yīng)用較少[6]。

三維激光掃描技術(shù)是近些年快速發(fā)展的測(cè)繪新興技術(shù)，其可在短時(shí)間內(nèi)獲取待測(cè)物體表面海量的三維空間數(shù)據(jù)[7]，其測(cè)量成果不僅包含空間坐標(biāo)信息，還包含反射率等物理信息[8]，通過不同測(cè)站三維點(diǎn)云的拼接、匹配，可實(shí)現(xiàn)空間三維坐標(biāo)的傳遞。研究采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行豎井聯(lián)系測(cè)量傳遞的方法，以一個(gè)電力管井聯(lián)系測(cè)量為例，介紹現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過程及注意事項(xiàng)，分析了點(diǎn)云拼接的影響因素，并根據(jù)匹配后的三維點(diǎn)云繪制了電力管井的平面圖和剖面圖，探討了該方法的適用場(chǎng)景。

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 工作井頂部標(biāo)靶測(cè)量

某電力管井因周邊區(qū)域施工建設(shè)，需要實(shí)測(cè)該電力管井的平面圖及剖面圖，查明電力管井與施工區(qū)域的空間位置關(guān)系，以便于對(duì)地下空間結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化等因素進(jìn)行相關(guān)施工影響評(píng)估，需要實(shí)測(cè)、評(píng)估的兩個(gè)電力管井之間長度約130多米，深度約 20 m，由于沒有已知測(cè)繪資料可利用，需要將井上的平面坐標(biāo)和高程傳遞到井下，為此需先在工作井頂部地面區(qū)域布設(shè)控制點(diǎn)。地面觀測(cè)示意圖如圖1所示。

圖1 地面觀測(cè)示意圖

在工作井地面附近布設(shè)兩個(gè)圖根控制點(diǎn)A和B，可采用基于城市CORS下的RTK模式進(jìn)行作業(yè)，大地高經(jīng)高精度似大地水準(zhǔn)面模型精化得到正常高，兩個(gè)圖根點(diǎn)應(yīng)相互通視，且間距足夠長，以保證后續(xù)全站儀設(shè)站定向有足夠的精度，點(diǎn)A應(yīng)距工作井較近，以便于全站儀精確瞄準(zhǔn)標(biāo)靶進(jìn)行觀測(cè)。在工作井頂部安置3個(gè)標(biāo)靶，現(xiàn)場(chǎng)安置位置如圖2所示，標(biāo)靶可以旋轉(zhuǎn)，但標(biāo)靶中心在旋轉(zhuǎn)過程中始終不變，安置時(shí)需使標(biāo)靶能夠和點(diǎn)A通視，同時(shí)保證將標(biāo)靶正面旋轉(zhuǎn)向下時(shí)，能夠和豎井底部通視。

準(zhǔn)備工作做好后，將3個(gè)標(biāo)靶正面旋轉(zhuǎn)至朝向點(diǎn)A方向，在點(diǎn)A架設(shè)全站儀，后視定向點(diǎn)B，觀測(cè)工作井頂部的3個(gè)標(biāo)靶中心，獲取其三維坐標(biāo)，為保證觀測(cè)精度，應(yīng)盤左盤右多測(cè)回觀測(cè)。至此，地面觀測(cè)工作結(jié)束。

圖2 工作井地面標(biāo)靶布設(shè)圖

2.2 工作井底部三維掃描測(cè)量

在工作井底板采用三維激光掃描儀進(jìn)行作業(yè)，作業(yè)前，將工作井頂部3個(gè)標(biāo)靶的正面旋轉(zhuǎn)至朝向豎井底部。將掃描儀安置于豎井底部，使其掃描頭與豎井頂部3個(gè)標(biāo)靶能夠通視，同時(shí)，在電力管井的延伸方向再放置3個(gè)標(biāo)靶，以用于第1測(cè)站的點(diǎn)云和第2測(cè)站的點(diǎn)云能夠拼接成一個(gè)整體。根據(jù)工作豎井的深度等現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境設(shè)置掃描儀的測(cè)量密度等參數(shù)，井下第1站掃描結(jié)束后，沿著電力管井方向?qū)x器安置于第2站，同時(shí)將豎井頂部的3個(gè)標(biāo)靶撤離，并將其安置于第2站的前進(jìn)方向，以此方法，沿著電力管井方向進(jìn)行三維掃描作業(yè)，每相鄰兩個(gè)測(cè)站之間利用3個(gè)標(biāo)靶進(jìn)行拼接，作業(yè)示意圖如圖3所示。

圖3 井下三維掃描測(cè)量示意圖

實(shí)際井下作業(yè)過程中，共需要6個(gè)標(biāo)靶，即除了第1站和最后1站以外，其他每個(gè)測(cè)站的前后各有3個(gè)標(biāo)靶，3個(gè)標(biāo)靶應(yīng)視現(xiàn)場(chǎng)具體情況盡可能分散開，且宜有一定的高度差，標(biāo)靶與掃描儀的距離應(yīng)根據(jù)掃描儀的測(cè)量密度及現(xiàn)場(chǎng)通視情況而定，每一站測(cè)完后，應(yīng)通過儀器屏幕顯示功能對(duì)掃描結(jié)果進(jìn)行預(yù)檢。在該電力管井地下測(cè)量過程中，由于地下空間狹窄，受現(xiàn)場(chǎng)電力設(shè)施等影響通視條件差，每個(gè)測(cè)站與標(biāo)靶的距離控制在 10 m之內(nèi)。

3 點(diǎn)云處理及精度分析

3.1 點(diǎn)云拼接配準(zhǔn)及預(yù)處理

內(nèi)業(yè)需先對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行拼接處理，即將各個(gè)測(cè)站的點(diǎn)云拼接成一個(gè)整體，拼接時(shí)分別在兩個(gè)測(cè)站的三維點(diǎn)云視圖中依次選擇3個(gè)同名標(biāo)靶，然后進(jìn)行匹配，為提高拼接精度及可靠性，除了選擇3個(gè)標(biāo)靶外，還可以選擇其他空間特征點(diǎn)參與匹配計(jì)算。其計(jì)算原理為空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[9]，即第1個(gè)測(cè)站的三維點(diǎn)云為基準(zhǔn)，根據(jù)兩個(gè)測(cè)站同名標(biāo)靶點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算空間轉(zhuǎn)換參數(shù)，并以此參數(shù)將第2個(gè)測(cè)站的三維點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到第1個(gè)測(cè)站三維點(diǎn)云基準(zhǔn)下。常用的轉(zhuǎn)換模型為布爾沙七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型[10]，轉(zhuǎn)換公式如下：

(1)

上式中，(X2，Y2，Z2)是轉(zhuǎn)換前三維坐標(biāo)，(X1，Y1，Z1)是轉(zhuǎn)換后三維坐標(biāo)，(TX，TY，TZ)是3個(gè)平移參數(shù)，D是比例參數(shù)，(RX，RY，RZ)是3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)。

點(diǎn)云拼接完成后，需要將點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到當(dāng)?shù)亟^對(duì)坐標(biāo)系下，其起算點(diǎn)采用豎井頂部安置的3個(gè)標(biāo)靶，在三維點(diǎn)云中對(duì)豎井頂部標(biāo)靶區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化放大，依次提取3個(gè)標(biāo)靶的中心，如圖4所示，借助于黑白標(biāo)靶特有的反射強(qiáng)度對(duì)比信息，可準(zhǔn)確地捕捉標(biāo)靶中心位置，對(duì)提取的3個(gè)標(biāo)靶中心按照全站儀測(cè)量獲取的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)，在后處理軟件中，導(dǎo)入3個(gè)標(biāo)靶的全站儀測(cè)量結(jié)果，進(jìn)行絕對(duì)坐標(biāo)匹配，匹配后電力管井三維點(diǎn)云如圖5所示。

圖4 標(biāo)靶中心提取點(diǎn)云圖

圖5 匹配后電力管井三維點(diǎn)云圖

經(jīng)拼接、配準(zhǔn)后的原始三維點(diǎn)云具有密度高、數(shù)據(jù)量大、噪聲多等特點(diǎn)，在進(jìn)行后續(xù)成果應(yīng)用之前需先對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理操作主要包括點(diǎn)云優(yōu)化、點(diǎn)云去噪濾波以及點(diǎn)云分割等操作[11]，處理流程圖如圖6所示。

圖6 三維點(diǎn)云預(yù)處理流程圖

點(diǎn)云優(yōu)化包括點(diǎn)云統(tǒng)一化、抽稀等操作[12]，點(diǎn)云統(tǒng)一化是將原始各個(gè)測(cè)站獨(dú)立的點(diǎn)云文件合并成一個(gè)整體，從而便于后續(xù)統(tǒng)一操作的過程，由于原始數(shù)據(jù)量大，點(diǎn)云密度高，需要進(jìn)行一定的抽稀操作[13]，最常用的方法是設(shè)置一定的點(diǎn)云間隔，比如 1 cm，即三維點(diǎn)云中點(diǎn)平均間距為 1 cm，抽吸后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量將大大減小，便于導(dǎo)入其他第三方軟件中進(jìn)行相應(yīng)的分析處理，點(diǎn)云去噪濾波是通過一定的算法將點(diǎn)云中不需要的區(qū)域進(jìn)行刪除的過程[14]，如由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響在空中形成的漂浮狀、散亂的點(diǎn)云，常用的處理方法有空間單元格法、KD-tree法、八叉樹法等[15]。經(jīng)預(yù)處理后的三維點(diǎn)云將更加平滑、有序，為后續(xù)成果應(yīng)用分析做準(zhǔn)備。

3.2 成果應(yīng)用及精度分析

根據(jù)工程需要，需要繪制電力管井的平面圖和剖面圖以評(píng)估周邊建設(shè)對(duì)該電力管井的影響，調(diào)整三維點(diǎn)云空間視圖，使其豎直Z軸向上，框選所需繪制區(qū)域，讓其獨(dú)立顯示，旋轉(zhuǎn)至側(cè)視圖，根據(jù)三維點(diǎn)云在空間的高低形態(tài)，建立兩個(gè)切片，保證兩個(gè)切片之間的空間區(qū)域均能覆蓋電力管井的范圍，調(diào)整兩個(gè)切片的間距，使切片之間的厚度便于后續(xù)繪制線畫圖，另存切片之間的點(diǎn)云在新的視圖中顯示，并調(diào)整至俯視圖狀態(tài)，根據(jù)點(diǎn)云走向采用直線或樣條曲線進(jìn)行描繪，描繪完得到電力管井的平面圖，同樣方法繪制電力管井的剖面圖，結(jié)果如圖7所示，其中上方平面圖中左邊圓圈為電力管井測(cè)繪的始發(fā)井，即作為起算點(diǎn)的3個(gè)標(biāo)靶安置的位置，自左向右進(jìn)行三維掃描傳遞測(cè)繪，至右邊圓圈第2個(gè)電力管井的位置結(jié)束。

圖7 電力管井平面圖和剖面圖

為驗(yàn)證基于三維激光掃描手段進(jìn)行豎井聯(lián)系測(cè)量及管井測(cè)繪傳遞的精度，在該工程中，地下管井三維掃描一直測(cè)至第2個(gè)管井，即圖7中上圖右邊圓圈位置，在地面上，借助于GNSS接收機(jī)、全站儀等儀器測(cè)定井蓋中心的三維坐標(biāo)。在匹配后的三維點(diǎn)云中，裁切出管井和地面貼合部位的三維點(diǎn)云，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及井蓋區(qū)域的不規(guī)則性，井蓋區(qū)域不是一個(gè)正圓，借助于點(diǎn)云后處理軟件中的空間擬合功能，擬合出貼近井蓋最佳形狀的空間圓，進(jìn)而提取出擬合圓的中心三維坐標(biāo)。該坐標(biāo)和在地面上用全站儀實(shí)測(cè)坐標(biāo)對(duì)比如表1所示。

圖8 電力管井圓心擬合示意圖

管井坐標(biāo)對(duì)比表 表1

從表1可以看出，從地面用全站儀實(shí)測(cè)的井蓋坐標(biāo)和在三維點(diǎn)云中擬合的坐標(biāo)較差基本上都在 3 cm左右，其精度能夠滿足常規(guī)的市政建設(shè)需要。該較差也反映了從起始地面3個(gè)標(biāo)靶傳遞至第2個(gè)管井三維掃描的精度，該精度和多個(gè)因素有關(guān)，首先和地面采用全站儀測(cè)量3個(gè)標(biāo)靶的精度有關(guān)，采用的儀器越精密，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)越科學(xué)，獲取的標(biāo)靶精度也就越高；其次，和始發(fā)井地面3個(gè)標(biāo)靶的安置有關(guān)，其直接決定了三維點(diǎn)云匹配精度，3個(gè)標(biāo)靶之間距離越大，即井口越大，匹配精度越高；再者，和地下管井三維掃描作業(yè)方式及管井現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境有關(guān)，若管井環(huán)境差，直徑窄，就影響現(xiàn)場(chǎng)每兩個(gè)測(cè)站之間標(biāo)靶的安置，從而影響拼接精度；第四，和地下設(shè)站的數(shù)量有關(guān)，設(shè)站數(shù)量越多，拼接后傳遞的精度就越差，反之，設(shè)站數(shù)量越少，拼接精度越高；另外，和掃描儀本身精度、測(cè)程以及掃描密度等參數(shù)設(shè)置都有關(guān)系。

4 總 結(jié)

三維激光掃描技術(shù)為豎井聯(lián)系測(cè)量提供了新的解決方案，與傳統(tǒng)采用的吊鋼絲、陀螺儀測(cè)量等方法相比，其現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效率更高，且掃描儀能夠突破常規(guī)儀器只能測(cè)量空間有限點(diǎn)位的弊端，可以快速獲取待測(cè)管井的三維空間海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而建立地下空間全面、客觀、真實(shí)的三維場(chǎng)景，有助于后續(xù)二次分析應(yīng)用。

受制于掃描儀自身測(cè)程等性能影響，基于三維激光掃描進(jìn)行豎井聯(lián)系測(cè)量適用于井深在二三十米之內(nèi)場(chǎng)景，若井口較寬，適用的井深也就更大，其聯(lián)系測(cè)量傳遞精度和多種因素有關(guān)，作業(yè)時(shí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況合理布設(shè)標(biāo)靶，以獲取最佳的拼接、匹配精度，若井內(nèi)地下區(qū)域沒有其他控制點(diǎn)進(jìn)行校正，則該方法在地下傳遞延伸的距離不宜過長。