三維激光掃描技術(shù)在隧道限界測(cè)量中的應(yīng)用

劉高奇 薛棟棟

摘要 通過(guò)在建隧道二襯斷面的全站儀測(cè)量方法和三維激光掃描方法獲取數(shù)據(jù)過(guò)程的介紹，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)去噪與加工，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出三維激光掃描在作業(yè)效率和精度上均取得了較好的結(jié)果，提出采用三維激光掃描儀作業(yè)在隧道限界測(cè)量中可取得較好的成果質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞 三維激光掃描 限界測(cè)量 精度與效益比較

1 概述

隨著三維激光掃描技術(shù)的不斷提高，點(diǎn)云測(cè)量數(shù)據(jù)處理方法的改進(jìn)，三維激光掃描設(shè)備單價(jià)的降低，以及隧道工程對(duì)建筑限界的要求越來(lái)越高，很多技術(shù)人員在隧道施工中積極的探索了使用三維激光掃描儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)與二襯檢測(cè)[1-5]，并積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，一些論文中做出了有意義的總結(jié)，通過(guò)全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)與三維掃描儀測(cè)量數(shù)據(jù)做對(duì)比，提出兩者精度接近，可替換使用[6]。提出入射角超過(guò)60°掃描數(shù)據(jù)精度大幅降低，宜以60°為參考，結(jié)合隧道斷面內(nèi)徑來(lái)選取設(shè)站間距[7]?？刂茰y(cè)站間距不超過(guò)30m，間距差不超過(guò)1m，測(cè)站高度超過(guò)1.6m，且保證相鄰測(cè)站具有相同的測(cè)量順序[8]。本文依托興泉鐵路在建隧道，開(kāi)展研究，總結(jié)在二襯施工后，如何利用三維激光掃描儀高效準(zhǔn)確的測(cè)量?jī)艨障藿?，并根?jù)項(xiàng)目實(shí)際情況提出三維激光掃描儀的使用建議。

2 全站儀與三維激光掃描儀獲取數(shù)據(jù)的方法

2.1 全站儀獲取數(shù)據(jù)的方法

研究采用機(jī)載斷面監(jiān)測(cè)程序控制儀器完成斷面測(cè)量，機(jī)載程序適用于免棱鏡功能全站儀;PC后處理軟件程序安裝在PC機(jī)上，用于數(shù)據(jù)的分析整理;全站儀設(shè)站方式為定向測(cè)量或后方交會(huì)，啟動(dòng)該程序后輸入斷面里程，儀器將自動(dòng)測(cè)量斷面。搜索范圍設(shè)置5m，所測(cè)里程5m范圍內(nèi)自動(dòng)尋找所測(cè)里程點(diǎn)，里程測(cè)量限差0.2m，測(cè)點(diǎn)在所測(cè)里程±0.2m內(nèi)儀器儲(chǔ)存測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距為環(huán)向點(diǎn)間距，斷面上每50cm測(cè)量一個(gè)點(diǎn)，測(cè)量時(shí)，全站儀基本安置于所需測(cè)量斷面正下方，測(cè)量前后5m范圍3個(gè)斷面，使激光與反射面垂直，保證測(cè)量精度（如圖1）。研究段落共測(cè)量斷面20組，平均每斷面測(cè)點(diǎn)40個(gè)。

2.2 三維激光掃描儀獲取數(shù)據(jù)的方法

三維激光掃描通過(guò)水平方向、垂直方向快速 360°旋轉(zhuǎn)，結(jié)合激光測(cè)距原理，快速測(cè)定各測(cè)點(diǎn)距球心的距離，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)（單次測(cè)站百萬(wàn)級(jí)以上個(gè)點(diǎn)構(gòu)成，點(diǎn)與點(diǎn)間距毫米級(jí)），快速構(gòu)建“復(fù)制”場(chǎng)景輪廓圖（如圖2）[9]。本次研究選用掃描儀為FARO M70，掃描前需全站儀利用洞內(nèi)導(dǎo)線點(diǎn)定向傳遞掃描儀坐標(biāo)和高程，對(duì)掃描儀左、右側(cè)棱鏡和圓棱鏡標(biāo)靶進(jìn)行進(jìn)行坐標(biāo)、高程測(cè)量，數(shù)據(jù)處理時(shí)轉(zhuǎn)換成絕對(duì)定位，使掃描成果與線路成果坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)一致，（如圖2、圖3）。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 線路要素輸入

機(jī)載斷面儀和掃描儀平曲線輸入基本相同（線元法），機(jī)載斷面儀豎曲線輸入時(shí)半徑區(qū)分正負(fù)號(hào)（凹曲線為-，凸曲線為+），掃描儀輸入半徑時(shí)不區(qū)分正負(fù)號(hào)，設(shè)計(jì)斷面輸入相同（機(jī)載斷面儀為單個(gè)斷面計(jì)算超欠挖，掃描儀為連續(xù)、區(qū)域出圖更加方便）。

3.2 控制點(diǎn)選取

研究隧道為單線隧道，洞內(nèi)狹小，為保證設(shè)站精度不選用后方交會(huì)，采用定向測(cè)量，主控制導(dǎo)線點(diǎn)為200m 1對(duì)布設(shè)，使用機(jī)載斷面儀測(cè)量時(shí)對(duì)所測(cè)范圍內(nèi)每60m進(jìn)行轉(zhuǎn)點(diǎn)，在每個(gè)轉(zhuǎn)點(diǎn)上架站進(jìn)行斷面測(cè)量。三維激光掃描儀需全站儀傳遞坐標(biāo)、高程，在主控制點(diǎn)上架設(shè)全站儀，在小于后視距離范圍內(nèi)任意架設(shè)掃描進(jìn)行測(cè)量[10]（如圖3）。

3.3 三維激光掃描儀數(shù)據(jù)去噪

三維激光掃描儀測(cè)量結(jié)果中不可避免地包含各種誤差，其中一部分誤差表現(xiàn)出噪聲特性，主動(dòng)無(wú)接觸覆蓋式測(cè)量受環(huán)境干擾，可能產(chǎn)生非測(cè)量目標(biāo)物體表面的無(wú)用數(shù)據(jù)和離群噪聲，物體表面的尖銳特征等使激光入射角劇變可能導(dǎo)致測(cè)量產(chǎn)生毛刺噪聲，無(wú)合作目標(biāo)的激光測(cè)距方式必然產(chǎn)生細(xì)小的隨機(jī)噪聲。它們的存在影響整個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分析效率和精度，因此需要對(duì)其按照分布大小進(jìn)行針對(duì)性的去除或調(diào)整。

外業(yè)去噪：測(cè)量時(shí)對(duì)遮擋物搬除，關(guān)閉風(fēng)袋使噪聲成一條線，減小噪聲保證測(cè)量質(zhì)量降低內(nèi)業(yè)處理噪聲時(shí)間。

內(nèi)業(yè)去噪：，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理后正射影像圖顯示紅色表示欠挖，正射影像圖顯示左側(cè)4m處欠挖，根據(jù)圖分析大面積欠挖屬于遮擋，打開(kāi)3D影像直觀顯示欠挖部位，風(fēng)管和水管遮擋導(dǎo)致欠挖（如圖4），大面積欠挖可在報(bào)表圖中注明，小面積遮擋欠挖可進(jìn)行去噪處理。

3.4 數(shù)據(jù)對(duì)比

選取DK285+710-DK285+810作為測(cè)試區(qū)，掃描儀架設(shè)在DK285+760處，機(jī)載斷面儀架設(shè)在DK285+715、+730、+745、+760、+775、+790、+805里程處，每5米測(cè)量一個(gè)斷面，共測(cè)量10個(gè)斷面進(jìn)行數(shù)據(jù)分析對(duì)比。其中掃描儀斷面圖環(huán)向點(diǎn)間距0.05m，機(jī)載斷面圖環(huán)向點(diǎn)間距0.5m，數(shù)據(jù)對(duì)比（如圖5，表1）：

數(shù)據(jù)分析：根據(jù)對(duì)比圖表可以得出，掃描儀架設(shè)位置前后20m所測(cè)精度在1cm內(nèi)，且最小值出現(xiàn)的測(cè)點(diǎn)基本都在拱頂附近，也是儀器仰角較大的位置，證明了角度與距離對(duì)數(shù)據(jù)精度的影響較大。前后50m在距離相同的條件下的差值較大（8mm），但角度和距離變化不大，說(shuō)明單純的考慮角度或者距離都無(wú)法取得理想的成果，綜合分析應(yīng)以控制掃描距離在20m范圍內(nèi)為宜。

3.5 三維激光掃描與全站儀作業(yè)效率對(duì)比

通過(guò)耗用人工、作業(yè)時(shí)間、操作難易、數(shù)據(jù)處理時(shí)間及數(shù)據(jù)精度等對(duì)比，三維激光掃描儀在作業(yè)效率上具有極大的優(yōu)勢(shì)。

結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，三維激光掃描儀在距離與測(cè)量角度適宜的情況下，能夠取得較好的精度，滿足凈空限界的測(cè)量要求，且三維激光掃描儀在作業(yè)效率上是傳統(tǒng)全站儀機(jī)載斷面測(cè)量作業(yè)的幾倍至幾十倍，在數(shù)據(jù)成果上以點(diǎn)云數(shù)據(jù)體現(xiàn)，能夠截取任意斷面數(shù)據(jù)，表格與圖形展示內(nèi)容更加豐富，能夠有效避免限界侵限測(cè)量的漏檢，同時(shí)為后續(xù)隧道成品展示的三維建模提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，雖然目前三維激光掃描設(shè)備較昂貴，但是其作業(yè)效率與衍生產(chǎn)品對(duì)工程信息化管理都具有極高的意義，新建鐵路隧道施工也廣泛將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用作為強(qiáng)制性要求推廣，如何應(yīng)用好該技術(shù)，使三維激光掃描技術(shù)更好的服務(wù)工程建設(shè)，是我們后續(xù)研究的方向。

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