徠卡RTC360三維激光掃描儀在隧道斷面采集中的應用

繆志修，劉 志，趙有兵

（中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031）

傳統(tǒng)的斷面采集效率、采集精度較低，不能快速響應任意里程段的斷面數(shù)據(jù)，三維激光掃描儀可迅速獲取隧道的高精度完整點云，實現(xiàn)了1：1“實景復制”，測量高效、全面、精確和直觀，相比傳統(tǒng)方法具有更多優(yōu)勢。

本文結合實際工程項目，采用徠卡RTC360掃描儀對該隧道進行掃描，并在采集點云的基礎上結合設計線位進行斷面的采集。實踐結果表明，采用該技術能夠快速獲取隧道的三維點云數(shù)據(jù)，并采用配套的專業(yè)軟件，能夠快速提取線路任意里程處的斷面數(shù)據(jù)。

1 工程概況及掃描技術要求

成蘭鐵路（Chengdu-Lanzhou Railway）為中國中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃的重要組成部分，是一條連接四川省成都市和甘肅省蘭州市的鐵路。成都-蘭州鐵路設計時速200 km，全長573 km，是中國鐵路一類雙線電氣化快速鐵路，該項目為成蘭鐵路的楊家坪隧道，位于高川-茂縣區(qū)間，楊家坪隧道位于龍門山中央活動斷裂與龍門山后山活動斷裂之間，全長12 815 m。其中進口至DK112+720段1 500 m為雙洞單線分修隧道，DK112+720～DK123+845段11 125 m為單洞雙線合修隧道，出口DK123+845～DK124+035段190 m茂縣車站伸入隧道，為三線車站大跨隧道。本隧道線路縱坡為單面上坡，最大埋深745 m。

本次隧道三維激光掃描里程范圍為DK113+395~DK121+07。本隧道已經完成了洞內二等導線的測量，導線布設方法為每隔300～400 m在隧道內兩側布設1對CPⅡ點。由于在坐標轉換時需要三維坐標點，因此采用水準儀對每個導線點高程進行了測量。為了提高拼接精度，本次掃描采用的拼接方式為每段導線點之間的范圍內進行坐標的轉換。同時，由于該掃描儀的掃描標靶的精度受距離的影響，離測站距離越遠，標靶擬合的精度越低，因此本項目最后確定的標靶距離為30 m處，布設4個標靶。

2 基于RTC360隧道點云獲取技術

RTC360是瑞士徠卡公司推出的一款短距離地面三維激光掃描儀，該掃描儀的工作溫度為-5~40℃之間，測距距離為0.5~130 m。掃描范圍水平為360×60°，即水平360°，垂直方向為-300~300°。

該款掃描儀具有高性能、中型尺寸、輕量化的特點，主要用于高密度三維點云和高分辨率全景照片的現(xiàn)實捕捉，單站作業(yè)時間短，即掃即走，減少掃描等待時間。同時，該掃描儀集成多種傳感器，基于IMU的傾斜補償，掃描無需整平，支持不同角度掃描，外業(yè)測量任務更簡單。該掃描儀掃描速度可以達到200萬點/s，點位精度高達1.9 mm，測角精度18"，測距精度達到1 mm+10 ppm。

2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)獲取流程

數(shù)據(jù)的采集過程可分為：現(xiàn)場踏勘、標靶布設和激光掃描3個部分。

2.1.1 現(xiàn)場踏勘

在地面三維激光掃描中，掃描站點布設的優(yōu)劣直接影響項目的工期和成本以及后期數(shù)據(jù)處理的進度。因此，在地面激光掃描中需要進行站點的規(guī)劃布設，站點布設的原則如下：

（1）確保在各掃描位置獲得的數(shù)據(jù)能夠覆蓋完整的掃描區(qū)域。

（2）在得到完整數(shù)據(jù)的前提下，應盡量選擇較少的掃描站數(shù)，以減少搬站次數(shù)。

（3）相鄰測站之間必須至少布設4個控制點標靶，并保證這些標靶能在相鄰兩站掃描中可視。

（4）確保布設的標靶在掃描過程中不被遮擋。

2.1.2 標靶布設

由于受限于隧道內的光線，采用RTC360三維激光掃描儀時，全景照片獲取的效果較差，因此在外業(yè)掃描時，為了提高工作效率，關閉了全景相片獲取的功能。

根據(jù)踏勘時制定的掃描方案、現(xiàn)場環(huán)境和通視情況布設標靶。由于后期點云數(shù)據(jù)處理中需要根據(jù)標靶進行掃描站之間的拼接、掃描站坐標系與工程獨立坐標系進行轉換，所以標靶應盡量在掃描范圍內均勻布設，起到控制作用，減小誤差。當掃描需要多站時，連續(xù)兩站之間應該有至少3個公共標靶（為了提高拼接精度，應多布設4個以上公共標靶），同時這4個標靶的布設不能在1條線上，盡量構成大地四邊形形狀，以提高拼接精度，現(xiàn)場標靶的布設示意圖如圖1所示。

圖1 標靶布設示意圖

2.1.3 激光掃描

確定好標靶布設位置后，就可以采用RTC360三維激光掃描儀進行掃描，其提供了幾種掃描方法，為了能夠更好地獲取得到標靶的中心坐標，本次掃描采用最高密度的點云進行掃描。單站點云掃描如圖2所示。

圖2 點云掃描效果圖

2.2 掃描點云數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)拼接

2.2.1 冗余數(shù)據(jù)的裁剪

由于受標靶以及點云密度的影響，距離掃描儀越遠處，點云精度及密度越差，因此在進行數(shù)據(jù)拼接前，將冗余的數(shù)據(jù)進行剔除，減少數(shù)據(jù)量。本項目只保留了掃描儀測站前后35 m的點云數(shù)據(jù)，圖3為裁剪后的單站數(shù)據(jù)。

圖3 點云裁剪后的效果圖

2.2.2 數(shù)據(jù)拼接原理

激光掃描時，每一掃描站點數(shù)據(jù)都有自己的坐標系統(tǒng)，為了能將各站點的坐標系統(tǒng)統(tǒng)一到一個坐標系統(tǒng)下，就需要各站掃描數(shù)據(jù)進行拼接和配準。

目前點云數(shù)據(jù)的配準主要有兩種方法：第一種主要是利用高精度的測量設備，如全站儀來獲取多站點云之間的轉換關系。這種配準的原理是在掃描物體的周圍布設至少3個控制標靶，并且掃描儀在掃描時能夠自動掃描到控制標靶；同時采用全站儀測量出控制標靶的中心坐標。通過這2組數(shù)據(jù)（即掃描儀掃描的標靶擬合的中心點和全站儀測量的標靶數(shù)據(jù)中心點坐標）就能計算出轉換關系的參數(shù)，即基于地理坐標的拼接方法。

另一種是利用三維激光掃描儀所獲取的地物特征來計算各掃描站之間的轉換關系。這種方法是在采集后，通過選取明顯的公共特征點（如本項目中布設的特制標靶）作為匹配的目標，至少尋找3對公共特征點來計算出轉換關系的參數(shù)，即基于同名點的拼接方法。對于要求高精度的項目推薦使用全站儀測量標靶中心坐標的方式進行拼接。

本次掃描采用2種方法相結合的方式進行，即2段導線點之間的測站采用布設的公共標靶的方式進行拼接，每個測段一般控制在9站左右。待該測段內9站數(shù)據(jù)拼好后，再采用前后4個導線的坐標，將掃描儀測站坐標轉換到工程獨立坐標系下。

2.2.3 數(shù)據(jù)拼接方法

本項目的掃描數(shù)據(jù)拼接在徠卡cyclone軟件下進行，具體流程如下：

執(zhí)行Create＞Registration。數(shù)據(jù)庫列表中將會出現(xiàn)一個帶有標靶符號的圖標，添加需要拼接的站點文件和控制點文件。如果標靶和控制點能一一對應上，這一步不會彈出任何錯誤警告，否則需要檢查標靶名稱和控制點名稱是否有誤、掃描站點是否缺少標靶。設置homescanword，一般把控制點文件作為參考。然后選擇Constriant List，在Registraion中選擇Register，查看轉換誤差，一般該誤差在3 mm左右。

在Registraion窗口下依次選擇Create scanwod/Freeze Registration。這一步的目的是鎖定住當前拼接關系，并打開拼接好的點云數(shù)據(jù)。到此數(shù)據(jù)轉換工作完成。圖4為兩站數(shù)據(jù)重疊部分拼接后的點云斷面圖（不同顏色代表不同的測站數(shù)據(jù)）

圖4 兩站點云拼接后圖

拼接完成后可以通過控制點列表查看站點拼接的精度，圖5為站點間拼接后的精度指標。

圖5 拼接精度列表

從圖5和圖6可以看出，本次站點之間的拼接精度較高，滿足測量規(guī)范中的要求。

圖6 兩測站搭接數(shù)據(jù)的拼接后斷面圖

3 基于激光點云數(shù)據(jù)的斷面提取

隧道斷面點云數(shù)據(jù)拼接及噪點處理后，就可以結合設計線位進行斷面的提取。本次隧道斷面的采集采用徠卡本地化軟件，在徠卡隧道變形監(jiān)測系統(tǒng)軟件中進行。具體方法如下：

（1）打開HDS程序，在設計數(shù)據(jù)處導入設計軸線，如圖7、圖8所示。

圖7 導入設計線位

圖8 設計線位顯示

（2）在參考測期窗口處選擇導入點云數(shù)據(jù)，如圖9、圖10所示，此時要保證點云數(shù)據(jù)的路徑是英文路徑。

圖9 加載點云數(shù)據(jù)

圖10 疊加點云和線位效果圖

（3）導入點云數(shù)據(jù)后，在參考測期處選擇生成橫斷面（選擇點云數(shù)據(jù)的起始和終止里程及其他參數(shù)，如圖11所示。

圖11 采集斷面參數(shù)設置

（4）在工具中選擇隧道凈空設置選項，輸入凈空的計算參數(shù)，如圖12-圖14所示。

圖12 隧道凈空設置

圖14 采集得到斷面圖

（5）在左側選項卡中全選所有生成的橫斷面，在工具中選擇隧道凈空計算，如圖15所示。

同時該軟件還可以導出斷面的Excel數(shù)據(jù)。通過上述步驟，得到隧道三維掃描凈空成果，及斷面掃描成果，可在下一步施工中作為參考資料。

4 結束語

三維激光掃描技術具有很強的工程適用性，在隧道斷面采集方面，三維激光掃描技術具有重要的理論及現(xiàn)實意義，有著巨大的應用潛力。傳統(tǒng)的斷面采集方法費時、費力，同時在某些情況下還難以獲取令人滿意的結果。將三維激光掃描技術引入到隧道工程領域，對隧道的斷面采集以及凈空分析方面有著傳統(tǒng)測量方法難以比擬的優(yōu)勢。另外，這種新技術的引入大大降低了調查人員的勞動強度，提高了工作效率。通過本次實驗，可以得出，采用RTC360掃描儀對隧道進行掃描，能夠滿足隧道凈空三維激光掃描對測量精度的要求。

圖13 斷面參數(shù)設置圖

圖15 隧道凈空分析圖