趙娟芳

(江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

1 三維激光掃描技術(shù)的原理

三維激光掃描技術(shù)之所以能夠?qū)崿F(xiàn)高效運(yùn)行，其中的三維激光掃描儀、軟件操控設(shè)備、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、數(shù)碼相機(jī)以及其他附屬配件組成，利用這些設(shè)備組成的三維激光掃描技術(shù)集成了一個(gè)新型空間信息數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。

三維激光掃描儀是利用一臺(tái)高速精確的激光測距儀，再配上一組反射棱鏡。激光測距儀能夠主動(dòng)發(fā)射出激光，既能夠發(fā)射又同時(shí)能夠接受從隧道內(nèi)部的自然物表面反射回來的信號，從而達(dá)到測距的目的。建立一個(gè)儀器自自定義坐標(biāo)系，從三維激光掃描儀發(fā)射器中發(fā)射出一個(gè)激光脈沖信號，從隧道物體表面的漫反射之后，再按照基本相同的路徑反向傳回到接收器中，做出一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)P 與掃描儀距離S，其中的控制編碼器進(jìn)行同步測量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測值α 和縱向掃描角度觀測值β。最后通過后處理軟件對采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及影像數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，滿足數(shù)據(jù)庫的需求。

2 基于三維激光掃描技術(shù)的隧道數(shù)據(jù)采集

第一步，根據(jù)隨帶具體的情況，制定出具體的掃描站點(diǎn)數(shù)以及位置，盡量選擇比較清晰的位置，能夠保證掃描距離在掃描儀的有效測程之內(nèi)，利用果籃確定隧道內(nèi)的正北方向，確定其與掃描儀Y 周正方向的夾角，確定三維激光掃描儀的基點(diǎn)。另外，需要注意的是在選擇掃描基點(diǎn)位置時(shí)盡量選擇較為平坦的地方，目的是為了能顧保證三腳架的臺(tái)面水平，利用全站儀測出基點(diǎn)的三維坐標(biāo)，做好記錄。

第二步，關(guān)于控制測量工作從平面控制測量與高程控制測量兩個(gè)方面進(jìn)行，在完成測量工作之后進(jìn)行平差計(jì)算，得到比較精準(zhǔn)的靶標(biāo)點(diǎn)位。

第三步，在已經(jīng)確定的基點(diǎn)位置上設(shè)置三腳架，按下制動(dòng)按鈕，通過調(diào)節(jié)三腳架與微調(diào)掃描儀底座下方的圓水準(zhǔn)器，保證主機(jī)處于水平位置。打開電源，插上網(wǎng)線，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)端口的參數(shù)。

第四步，打開掃描軟件，設(shè)置亮度與掃描的精度，同時(shí)調(diào)整儀器掃描區(qū)域的角度，設(shè)定好采集的間距，開始實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。

第五步，完成了數(shù)據(jù)的獲取與采集之后，記錄好標(biāo)靶的位置。

圖1 三維激光掃描儀獲取數(shù)據(jù)的具體流程圖

3 基于三維激光掃描技術(shù)的隧道數(shù)據(jù)處理

通過三維激光掃描技術(shù)得到的隧道數(shù)據(jù)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，關(guān)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理工作，主要包含了導(dǎo)入、噪聲去除、多視對齊、數(shù)據(jù)精簡、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等。

導(dǎo)入工作之后，關(guān)于噪聲去除就是將點(diǎn)云數(shù)據(jù)當(dāng)中與掃描對象沒有關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)去除。之所以會(huì)產(chǎn)生無關(guān)數(shù)據(jù)，主要是在進(jìn)行掃描的過程中存在著一些不可控因素的干擾，在完成數(shù)據(jù)采集工作之后就需要將這些無關(guān)數(shù)據(jù)刪除。

多視對齊是為了將點(diǎn)云技術(shù)對齊與拼接，但是由于在掃描的過程中被掃描的目標(biāo)可能體積多大或者是掃描的環(huán)境過于復(fù)雜不能夠一次性得到所有需要的數(shù)據(jù)，因此需要從不同的角度、不同的位置進(jìn)行重復(fù)性掃描。

為了得到得到一個(gè)更加真實(shí)的效果，在完成對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的噪聲去除、多視對齊之后，還需要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行著色與渲染，這樣才能夠更好的反映出隧道的情況。完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的著色與渲染之后，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精簡工作。由于獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量較大，為了能夠完成曲面重構(gòu)與保持其高精度性就需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡，一般常用的精簡方式為:平均精簡→在未處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中每n 個(gè)點(diǎn)中保留1 個(gè)→按照一定距離精簡→完成精簡之后，其中點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離全部應(yīng)該大于某一個(gè)固定值。

關(guān)于坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，在利用三維激光掃描儀采集數(shù)據(jù)時(shí)，一般是通過默認(rèn)的中心點(diǎn)位置作為坐標(biāo)零點(diǎn)，其坐標(biāo)三維激光掃描儀所在的掃描基點(diǎn)有關(guān)，是相對坐標(biāo)，因此實(shí)際中需要將掃描到的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到實(shí)際的隧道檢測當(dāng)中，為之后的建模提供相對的數(shù)據(jù)。關(guān)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的匹配拼接工作，主要是在不同的坐標(biāo)系中采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到大地坐標(biāo)系，在具體的掃描過程中，由于隧道條件十分復(fù)雜，難以得到整個(gè)隧道的全部點(diǎn)云圖，因此需要對隧道進(jìn)行多次的掃描，之后這樣再利用拼接技術(shù)通過一個(gè)隧道完成的點(diǎn)云圖。需要注意的是在進(jìn)行拼接之前兩幅圖必須重疊部分占據(jù)整個(gè)掃描圖像的1/5 以上。

4 基于三維激光掃描技術(shù)的隧道建模分析

為了能夠建立一個(gè)真實(shí)的三維激光掃描之后的影像，需要將掃描數(shù)據(jù)通過準(zhǔn)確的曲面表示出來，這個(gè)過程就是曲面重構(gòu)。在完成曲面重構(gòu)之后，就可以建立一個(gè)三維建模。新疆省某個(gè)隧道工程其作為稀奇東輸管道工程中標(biāo)志性工程之一，關(guān)于其隧道的檢測工作采用三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)，利用該技術(shù)在完成數(shù)據(jù)的采集之后，在進(jìn)行三維模型的構(gòu)建時(shí)，首先切取30 m 距離的隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用Cyclone 軟件實(shí)現(xiàn)完成噪音去除、拼接、切割以及三維建模瀏覽等一系列工作。

5 結(jié) 語

總而言之，利用三維激光掃描技術(shù)能夠大大提高原有的檢測效果，在提高了點(diǎn)云拼接精度的基礎(chǔ)上建立了一個(gè)三維立體模型，更加利于隧道的檢測工作。隨著我國隧道工程的不斷增多，關(guān)于三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用將更加廣泛。

［1］夏國芳，王晏民.三維激光掃描技術(shù)在隧道橫縱斷面測量中的應(yīng)用研究［J］.北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，17(3):142.

［2］畢俊，馮琰，顧星曄，等.三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道收斂變形監(jiān)測中的應(yīng)用研究［J］.測繪科學(xué)，2010，11(2):159.

［3］李洋，李濤，楊位中，等.地質(zhì)雷達(dá)分段識別技術(shù)在隧道初期支護(hù)檢測中的應(yīng)用［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2015，21(1):103.

［4］周敬平，吳笑天.基于分段回歸模型的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析［J］.青海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，13(5):209－210.