李 兵

(四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川成都 610072)

1 前 言

激光測(cè)量技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代，其產(chǎn)品主要是接觸式主動(dòng)測(cè)量點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的激光測(cè)距裝置。它以其單色性、方向性、相干性和高亮度等特性，在精度、速度、易操作性等方面表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。它的出現(xiàn)引發(fā)了現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的一場(chǎng)革命，引起相關(guān)行業(yè)學(xué)者的廣泛關(guān)注，許多高技術(shù)公司、研究機(jī)構(gòu)將研究方向和重點(diǎn)放在激光測(cè)量裝置的研究和激光測(cè)量技術(shù)的運(yùn)用中。

如今，在激光技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用需求的推動(dòng)下，激光測(cè)量技術(shù)也逐步發(fā)展到采用非接觸主動(dòng)測(cè)量方式快速獲取實(shí)體三維空間坐標(biāo)的三維激光掃描測(cè)量裝置，在測(cè)繪領(lǐng)域正逐漸成為重要的測(cè)量手段。

本文結(jié)合錦屏二級(jí)水電站大型引水隧洞的開挖測(cè)量工作，具體介紹FARO三維激光掃描隧道測(cè)量系統(tǒng)、系統(tǒng)的工作流程、掃描測(cè)量實(shí)例及激光測(cè)量技術(shù)的優(yōu)越性和應(yīng)用前景。

2 FARO三維激光掃描隧道測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)介

錦屏二級(jí)水電站引進(jìn)的三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)，是美國 FARO Technologies，Inc．公司生產(chǎn)的FARO三維激光掃描裝置。這是一款相位式大空間掃描儀，型號(hào)為FARO 3D LASER SCANNER Photon 120。

下面簡(jiǎn)要介紹FARO三維激光掃描隧道測(cè)量系統(tǒng)的組成和功能、工作原理、掃描特點(diǎn)、技術(shù)指標(biāo)和數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。

2.1 系統(tǒng)的組成和功能

FARO三維激光掃描隧道測(cè)量系統(tǒng)的組成有以下三部分:

(1)FARO三維激光掃描儀(見圖1)。用來掃描獲取實(shí)體表面的三維數(shù)據(jù)。

圖1 FARO三維激光掃描儀

(2)FARO SCENE后處理軟件。用來控制掃描儀操作、視角、測(cè)量和分析，也可以用來處理數(shù)據(jù)、識(shí)別物體和連接CAD系統(tǒng)(所有的CAD和CAPE系統(tǒng)都支持)。

(3)RR Tunnel隧道測(cè)量軟件包。是一個(gè)有15年歷史的成熟的勘測(cè)和隧道軟件，有如下特點(diǎn)和功能:

◆體積和面積計(jì)算，例如已開挖土方量與規(guī)劃隧道的比較、超/欠挖方量的自由計(jì)算。

◆無限量輪廓線。

◆用戶自定義的掃描分段數(shù)量和距離(在同一隧道中的不同距離)。

◆生成隧道開挖與設(shè)計(jì)之間偏差的三維視圖。

◆生成與設(shè)計(jì)方案的開卷偏差的二維視圖。

◆給出各項(xiàng)報(bào)告，例如RFQ、清算賬目、總額等。

◆自動(dòng)生成CAD圖紙(根據(jù)需要生成標(biāo)準(zhǔn)或者用戶定義的圖紙標(biāo)題)。

◆輸出數(shù)據(jù)可以被用戶控制各類計(jì)算機(jī)化的建筑機(jī)器。

◆集成FARO激光掃描儀。

上述組成FARO三維激光掃描隧道測(cè)量系統(tǒng)的三部分，它們的配合使用可進(jìn)行隧道測(cè)量、分析、管理，達(dá)到為隧道施工建設(shè)提供最佳的測(cè)量服務(wù)、成果輸出和決策方案等。

2.2 FARO三維激光掃描儀的工作原理

(1)通過發(fā)射紅外線光束到旋轉(zhuǎn)式鏡頭的中心，旋轉(zhuǎn)檢測(cè)環(huán)境周圍的激光，一旦接觸到物體，光束立刻被反射回掃描儀，紅外線的位移數(shù)據(jù)被測(cè)量，從而反映出激光與物體之間的距離。

(2)借助特殊的調(diào)制技術(shù)，HYPERMODULATIONTM可大幅提高調(diào)制信號(hào)的信噪比。之后，通過使用角度編碼器測(cè)量Laser scanner鏡頭旋轉(zhuǎn)角度與激光掃描儀的水平旋轉(zhuǎn)角度，以獲得每一個(gè)點(diǎn)的X、Y、Z的三維坐標(biāo)值 。

(3)借助載式計(jì)算機(jī)，可以在不使用便攜式計(jì)算機(jī)的情況下運(yùn)行掃描。完成掃描后，用戶即可輕松導(dǎo)航三維視圖，對(duì)全部掃描數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行查看分析及后處理。

2.3 FARO三維激光掃描儀的測(cè)量特點(diǎn)

FARO三維激光掃描儀采用非接觸主動(dòng)測(cè)量方式直接獲取高精度三維數(shù)據(jù)，克服了傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)以點(diǎn)帶面的固定化測(cè)量模式的局限性，能夠?qū)θ我馕矬w表面進(jìn)行掃描，且不受白天和黑夜的限制，即使在完全黑暗的條件下也可以掃描測(cè)量;它能夠快速將現(xiàn)實(shí)世界的信息轉(zhuǎn)換成可以處理的數(shù)據(jù);它具有掃描速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高、主動(dòng)性強(qiáng)、全數(shù)字特征等特點(diǎn)，可以極大地減少測(cè)量時(shí)間，使用方便，以及其輸出格式可直接與CAD三維動(dòng)畫等工具軟件接口連接的特點(diǎn)。

2.4 FARO三維激光掃描儀的技術(shù)指標(biāo)

有效掃描距離:120m

系統(tǒng)誤差距離:25m處2mm

清晰間距:153.49m

典型解析度:8 000×3 500

典型持續(xù)時(shí)間:233s

最大解析度:470 000×16 384

測(cè)量頻率:97萬6千點(diǎn)每秒

激光功率:20.0mW

波長:785nm

垂直視角:320°

水平視角:360°

重量:14.5kg

數(shù)據(jù)儲(chǔ)存:內(nèi)置80G硬盤或網(wǎng)絡(luò)連接

尺寸:400mm×160mm×280mm

2.5 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)

筆記本電腦，至少有以下配置:

CPU:2.13GHz

RAM:2GB

HD:80GB

顯卡:512MB

以太網(wǎng)網(wǎng)卡

預(yù)裝Windows NT或2000 or XP操作系統(tǒng)

3 FARO三維激光掃描隧道測(cè)量系統(tǒng)的工作流程及簡(jiǎn)要說明

FARO三維激光掃描儀隧道測(cè)量系統(tǒng)，在錦屏二級(jí)水電站大型引水隧洞開挖測(cè)量中的主要工作流程如下:

3.1 測(cè)站設(shè)計(jì)

根據(jù)待掃描開挖隧洞段的長度架設(shè)標(biāo)靶和三維激光掃描儀。具體操作:首先，在已開挖隧洞的有效掃描范圍內(nèi)布置2～3個(gè)標(biāo)靶;然后，將三維激光掃描儀架設(shè)在待掃描的隧洞開挖段大約中部的任意地方，不必架設(shè)在已知的測(cè)量控制點(diǎn)上(見圖2)。

3.2 掃描儀掃描測(cè)量

掃描儀無需像傳統(tǒng)測(cè)量儀器那樣定向后才能測(cè)量，只需較隨意地選好架站地點(diǎn)初平掃描儀即可。掃描儀架好后，接通FARO三維激光掃描儀電源待機(jī)預(yù)熱4min左右(經(jīng)過預(yù)熱后，三維激光掃描儀可提供最佳的掃描測(cè)量結(jié)果)。然后，啟動(dòng)掃描儀上的掃描按鈕，掃描儀便會(huì)自動(dòng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)片刻后停止，緊接著自動(dòng)轉(zhuǎn)為順時(shí)針運(yùn)動(dòng)同時(shí)進(jìn)行所有的連續(xù)掃描測(cè)量。待掃描儀自動(dòng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)360°后完成掃描，掃描儀又會(huì)自動(dòng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)回到其最初的位置。至此，一個(gè)測(cè)站的現(xiàn)場(chǎng)掃描工作全部結(jié)束。

錦屏二級(jí)水電站引水隧洞開挖工程，由于施工環(huán)境惡劣，空氣中水霧、煙霧及粉塵濃度高，完成一個(gè)測(cè)站的全部掃描測(cè)量工作用時(shí)大約15～20min，能獲取70m左右隧洞開挖段的獨(dú)立三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，有效使用數(shù)據(jù)約60m掃描段長，最佳使用數(shù)據(jù)約50m掃描段長。

圖2 測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.3 控制標(biāo)靶中心坐標(biāo)的獲取

在已有的控制測(cè)量點(diǎn)上用全站儀直接測(cè)量標(biāo)靶的控制測(cè)量系統(tǒng)的三維坐標(biāo)。

3.4 坐標(biāo)配準(zhǔn)

使用FARO SCENE后處理軟件以標(biāo)靶為基準(zhǔn)，通過測(cè)得的標(biāo)靶測(cè)量系統(tǒng)的三維坐標(biāo)值，把三維激光掃描儀現(xiàn)場(chǎng)掃描獲得的激光點(diǎn)云中的獨(dú)立系統(tǒng)的每個(gè)三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成控制測(cè)量系統(tǒng)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

3.5 三維建模

使用RR Tunnel隧道測(cè)量軟件在計(jì)算機(jī)中生成隧道開挖與設(shè)計(jì)之間偏差的三維視圖。

3.6 成果輸出

使用RR Tunnel隧道測(cè)量軟件在計(jì)算機(jī)中可自動(dòng)生成CAD圖紙，如反映隧洞超/欠挖的剖面圖、超/欠挖數(shù)值、超/欠挖面積，以及自動(dòng)計(jì)算超/欠挖方量等。

4 應(yīng)用實(shí)例

錦屏二級(jí)水電站于2010年1月引進(jìn)FARO三維激光掃描系統(tǒng)，應(yīng)用于引水隧洞的開挖掃描、超/欠挖檢測(cè)、開挖驗(yàn)收和工程量計(jì)算，取得了較好的測(cè)量效果。下面給出2號(hào)引水隧洞引(2)7+900～引(2)7+968邊頂拱開挖驗(yàn)收的部分掃描成果。

4.1 掃描數(shù)據(jù)

FARO三維激光掃描儀現(xiàn)場(chǎng)掃描完成后，所有的數(shù)據(jù)以Geo文件格式存儲(chǔ)在掃描儀的內(nèi)置硬盤中，可以輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、導(dǎo)出和數(shù)據(jù)處理，同時(shí)也確保所有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，避免了數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)。表1是采用Excel導(dǎo)出的部分三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

表1 導(dǎo)出的三維坐標(biāo)值

4.2 形象逼真的三維圖像

現(xiàn)場(chǎng)掃描獲得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦生成三維視圖，可以直接查看該站掃描獲得的整個(gè)掃描段的點(diǎn)云及雜物等情況，通過過濾和點(diǎn)云數(shù)據(jù)稀釋以及選擇并掃除無用的雜點(diǎn)點(diǎn)云后，最終生成開挖掃描段的清掃干凈的3D視圖(見圖3)。測(cè)量數(shù)據(jù)非常方便，可以在點(diǎn)云圖中或三維立體圖中直接測(cè)量，測(cè)得的數(shù)據(jù)可用于生成尺寸精確的CAD模型。

4.3 生成開挖斷面圖

把3D視圖導(dǎo)入數(shù)據(jù)到RR Tunnel隧道測(cè)量軟件，可以輕松切取掃描段的隧洞開挖斷面圖。不同樁號(hào)的開挖斷面圖之間的樁距，可以根據(jù)實(shí)際需要在軟件中任意指定輸入。開挖斷面圖的生成為批量處理，可瞬間獲得全部需要的按樁距要求切取的開挖斷面圖(見圖4)。

圖3 開挖段3D視圖

圖4 切取的開挖斷面

4.4 工程量計(jì)算

采用RR Tunnel隧道測(cè)量軟計(jì)算指定開挖段引(2)7+930～引(2)7+960的超挖工程量，計(jì)算結(jié)果為138.572m3。

5 系統(tǒng)的優(yōu)越性及應(yīng)用前景

FARO三維激光掃描系統(tǒng)，在錦屏二級(jí)水電站大型引水隧洞開挖工程的實(shí)際施工應(yīng)用中，相比傳統(tǒng)測(cè)量方法表現(xiàn)出更加簡(jiǎn)單、適用、精確、快速和高效的特性以及明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。簡(jiǎn)述如下:

(1)FARO三維激光掃描系統(tǒng)產(chǎn)生三維黑白圖像，每一個(gè)像素均有X、Y、Z坐標(biāo)。測(cè)量數(shù)據(jù)方便，可以在點(diǎn)云圖中或三維物體中直接測(cè)量，這些數(shù)據(jù)可用于生成尺寸精確的CAD模型。

(2)可以真正做到直接從已開挖的引水隧洞中進(jìn)行快速的逆向三維數(shù)據(jù)采集，無需進(jìn)行任何實(shí)體表面的處理。

(3)現(xiàn)場(chǎng)掃描獲得的激光點(diǎn)云中的每個(gè)三維數(shù)據(jù)都是直接采集目標(biāo)的數(shù)據(jù)，使得后期處理的數(shù)據(jù)完全真實(shí)可靠。

(4)不同于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法。傳統(tǒng)測(cè)量方法由于全站儀的局限性在斷面中只能對(duì)斷面的特征點(diǎn)進(jìn)行抽測(cè)以達(dá)到反映開挖斷面是否達(dá)到設(shè)計(jì)斷面的目的，測(cè)量結(jié)果受特征點(diǎn)的影響較大。而FARO三維激光掃描儀的解析度為8 000×3 500～470 000×16 384，典型掃描速度每秒12萬個(gè)3D點(diǎn)，不僅可以輕松、精確的反映掃描的開挖情況，也可以對(duì)所有隧洞表面進(jìn)行掃描測(cè)量。

(5)抗干擾性及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，即使在引水隧洞空氣中水霧、煙霧及粉塵濃度高常規(guī)測(cè)量方法難以測(cè)量的情況下也能掃描測(cè)量。

(6)在現(xiàn)場(chǎng)掃描時(shí)無需定向，所以設(shè)站幾乎不受施工的干擾，而且掃描測(cè)量操作簡(jiǎn)單只需啟動(dòng)按鈕，即可自動(dòng)完成全部掃描測(cè)量工作。

(7)采用非接觸主動(dòng)測(cè)量方式，因此掃描測(cè)量自動(dòng)高速，遠(yuǎn)比傳統(tǒng)全站儀裝載的TMS Solution隧道自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)快速、高效，可以最大程度地節(jié)約測(cè)量時(shí)間。如FARO三維激光掃描儀在錦屏二級(jí)水電站涌水量大、幾乎黑暗的1號(hào)引水隧洞的施工環(huán)境中，可自動(dòng)掃描獲取開挖后引水隧洞的三維掃描數(shù)據(jù)。

(8)掃描數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理高效，超/欠挖量計(jì)算容易，測(cè)量報(bào)告輸出及時(shí)等。

總之，F(xiàn)ARO三維激光掃描系統(tǒng)，作為激光測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域較為成熟的高科技商業(yè)產(chǎn)品，以及在錦屏二級(jí)水電站大型引水隧洞的開挖工程的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中所表現(xiàn)出來的非同一般的優(yōu)越性，贏得了錦屏二級(jí)水電站建設(shè)工程的測(cè)量市場(chǎng)。

目前，在我國還沒有國產(chǎn)的高精度三維激光掃描儀投放市場(chǎng)，相信不久的一天，具有國產(chǎn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的更加適合中國國情的三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)將會(huì)誕生，而且隨著產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格的下降，三維激光掃描系統(tǒng)一定會(huì)以其技術(shù)優(yōu)勢(shì)更加廣泛地應(yīng)用在中國建設(shè)發(fā)展的各行各業(yè)，如采礦、工程施工、城市規(guī)劃、勘測(cè)、測(cè)量、交通、古跡建筑物克隆以及數(shù)字地理信息系統(tǒng)等行業(yè)。