■陳輝

（遼寧省有色地質局107隊遼寧大連116113）

淺議三維激光掃描技術在隧道工程測量中的應用

■陳輝

（遼寧省有色地質局107隊遼寧大連116113）

隨著科技的發(fā)展，三維激光掃描技術在測量方面的應用日趨成熟。本文以某隧道工程竣工測量為例，通過與傳統(tǒng)測量技術的比較，討論了三維激光掃描技術在隧道竣工測量工作中應用的可行性、技術優(yōu)勢、測量方法和數(shù)據(jù)處理方法。

三維數(shù)據(jù) 三角網(wǎng)模型 標靶噪音數(shù)據(jù)

1　引言

三維激光掃描技術(3D Laser Scanning Technology)是一種先進的全自動高精度立體掃描技術,可以快速地獲得被測物體表面密集的、全面的、關聯(lián)的、連續(xù)的三維坐標數(shù)據(jù)及影像數(shù)據(jù)，因此也被稱為“實景復制技術”，它是繼GPS技術之后測繪領域又一次技術革命。與基于全站儀或GPS的測量技術相比，其數(shù)據(jù)采集效率較高，且采樣點數(shù)要多得多，形成了一個基于三維數(shù)據(jù)點的離散三維模型數(shù)據(jù)場,這能有效避免以往基于變形監(jiān)測點數(shù)據(jù)的應力應變分析結果中所帶有的局部性和片面性 (即以點代面的分析方法的局限性)；與基于近景攝影測量的變形監(jiān)測相比,盡管它無法像近景攝影那樣能形成基于光線的連續(xù)三維模型數(shù)據(jù)場,但它比近景攝影具有更高的工作效率,并且其后續(xù)數(shù)據(jù)處理也更為容易,能快速準確地生成監(jiān)測對象的三維數(shù)據(jù)模型。這些技術優(yōu)勢決定了激光三維掃描技術在隧道工程測量領域有著廣闊的應用前景。

2　采用三維激光掃描技術進行隧道竣工測量的技術路線

整個工作流程分為外業(yè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預處理、三角網(wǎng)模型建立、隧道斷面截取、成果輸出、對比分析等，整個過程以如下技術路線進行：

2.1數(shù)據(jù)采集

設計導線與水準測量方案，根據(jù)激光掃描儀性能參數(shù)及現(xiàn)場環(huán)境設計掃描站間距、掃描點密度，保證具有一定的掃描重疊度。隧道內(nèi)導線及水準測量，傳遞三維坐標。傳遞方式采用標靶進行，在導線及水準測量的同時觀測標靶。同步進行隧道三維激光掃描，獲得隧道管壁三維點云數(shù)據(jù)，同時也獲得標靶點云數(shù)據(jù)。

2.2數(shù)據(jù)預處理

標靶三維坐標計算：通過導線及水準測量成果，計算標靶的三維坐標。點云數(shù)據(jù)三維坐標歸算：根據(jù)標靶三維坐標將每站的點云數(shù)據(jù)歸算到統(tǒng)一的三維坐標系統(tǒng)。剔除噪音數(shù)據(jù)：根據(jù)隧道設計數(shù)據(jù)（如圓隧道的直徑及軸線空間位置），剔除管壁外的噪音數(shù)據(jù)。噪音數(shù)據(jù)主要是預制管片的連接螺栓孔、螺帽、注漿孔及電纜、照明設備和其他附著在管壁上的設施。提取必要的管壁點云數(shù)據(jù)：由于掃描角度、距離等因素，管壁點云密度并不均勻，站附近的點密度大。為便于下一步處理，去掉點密度大的區(qū)域中不必要的大量冗余點，按照一定的密度提取點云數(shù)據(jù)，提高后續(xù)數(shù)據(jù)處理速度。

2.3三角網(wǎng)模型建立

點云數(shù)據(jù)經(jīng)過預處理后，在專業(yè)的建模軟件中建立三角網(wǎng)模型，建模過程中要注意以真實情況為主，避免大量漏洞的修補。

2.4隧道斷面截取

建立好三角網(wǎng)模型后，在專業(yè)軟件中，確定出隧道的中心線，并沿其法線方向按一定間隔截取隧道的斷面圖。

2.5成果輸出

將截取的斷面圖輸出成DWG格式文件，在CAD軟件中量取隧道不同方向上的半徑值。

2.6對比分析

將不同間隔的斷面成果數(shù)據(jù)制作成表格和直方圖，進行分析統(tǒng)計。

課外學習的開展應該建立在課堂中課文的基礎之上，在開展的過程當中，教師應該保證課外學習的內(nèi)容既與課堂當中學習的內(nèi)容相聯(lián)系，同時還應該滿足教學大綱的需求。教師在給學生留課下學習的任務時，應當從學生的實際問題出發(fā)，以在課堂中學到的知識為出發(fā)點，再對生活當中或者實際的社會當中所遇到的問題來進行展開。另一方面，課外學習也可以從學生的經(jīng)驗來開展，根據(jù)學生的學習興趣，組織開展社區(qū)或者學校里面的興趣活動，提高學生學習的興趣。

3　實測案例

由我單位負責的某隧道竣工測量工作中，先前一直采用收斂計配合全站儀的工作模式，為了進行新技術的推廣，選取了某區(qū)段中一個長約100m的區(qū)域進行了正右線的三維激光掃描方式的隧道竣工測量。

3.1儀器的選用

儀器選用我單位擁有的IMAGER 5006掃描儀,這款掃描儀每秒最大掃描976000點，25m內(nèi)的系統(tǒng)距離誤差不大于±2mm。

3.2數(shù)據(jù)采集

（1）掃描參數(shù)設定。根據(jù)以往的工作經(jīng)驗，整個數(shù)據(jù)采集工作選用中等速度和質量進行，分辨率設為1/5，質量設為4X，一個測站的掃描時間大約為6min30s。

（2）儀器設站及標靶球的擺放?？紤]到數(shù)據(jù)采集精度及儀器的有效距離，每個測站間隔大約30m，試驗段區(qū)域左右線一共擺放了6站。在試驗段的兩端分別擺放不同數(shù)量的標靶球，用以辨認測量區(qū)域范圍。在每兩個測站之間，擺放3個以上的標靶球，注意標靶球應避免在一個平面內(nèi)，以免影響拼站精度。

3.3數(shù)據(jù)處理

利用儀器配套的FaroSense點云后處理軟件進行測站拼接，并在Cyclone軟件中刪除噪點。

3.3.2三角網(wǎng)模型的建立

在Geomagic軟件選定合適的參數(shù)對處理好的點云數(shù)據(jù)建立三角網(wǎng)模型通過與全站儀的精度比較試驗，驗證地面三維激光掃描技術在隧道變形測量中的可靠性，利用隧道三維建模算法得到的變形量與全站儀的測量結果相差在2mm以內(nèi)。

3.3.3中心線提取及斷面輸出

利用RealWorksSurvey軟件對隧道模型進行中心線的提取并按每隔2個環(huán)片輸出中心線法線方向的斷面圖，成果為DWG格式

3.3.4半徑的量取

在CAD軟件中，由斷面圖中心點分別沿正左、左45°、正上、右45°、正右5個方向量取半徑值。

3.4數(shù)據(jù)分析

選用本次掃描儀測量獲取的數(shù)據(jù)同前期用全站儀測量獲取的數(shù)據(jù)進行比較，由于全站儀獲取的數(shù)據(jù)是按等距離米數(shù)進行隧道斷面切割的，而不是按環(huán)片數(shù)截取的，所以這里只是選取位置接近的地方進行比較，比較成果如下圖示。

從比較結果來看，掃描儀獲取的數(shù)據(jù)和全站儀獲取的數(shù)據(jù)雖然在數(shù)值上會有一些差別，但變化趨勢基本上一致。

4　結束語

采用三維激光掃描技術進行隧道的竣工測量，能夠一次性快速、完整、全方位地采集隧道內(nèi)部的表面數(shù)據(jù)，并且從數(shù)據(jù)處理結果上看，能夠滿足隧道竣工測量繪制縱橫斷面圖的要求。實踐證明，采用本方法，與傳統(tǒng)的測量方法比較，極大地提高了作業(yè)效率，降低了作業(yè)強度，縮短了測量周期，對于隧道安全監(jiān)測是有效的方法。

[1]徐源強，高井祥，王堅.三維激光掃描技術［J］.測繪信息與工程，2010，35（4）：5～6

[2]夏國芳，王晏民 .三維激光掃描技術在隧道橫縱斷面測量中的應用研究［J］.北京建筑工程學院學報，2010，26（3）：37～38

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1000～405X（2016）～4～313～1