胡開承（湖南省交通規(guī)劃勘察設計院，湖南長沙410008）

三維激光掃描在溶洞勘察設計中的應用研究

胡開承（湖南省交通規(guī)劃勘察設計院，湖南長沙410008）

三維激光掃描技術(shù)具備準確性、動態(tài)性、實時性等特征，并且還可獲得空間三維數(shù)據(jù)，是當前測繪行業(yè)中最新的一種應用技術(shù)。如何將這一技術(shù)應用于工程項目中，并與現(xiàn)有系統(tǒng)接軌，是我們面臨的主要問題。在某高速公路溶洞探測項目中，我們充分利用激光掃描這一先進技術(shù)對溶洞進行全方位掃描，并開發(fā)相應軟件，對數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)后處理研究，取得了良好的效果，并與設計軟件有效銜接，方便設計的進行。

三維激光掃描；工程測量；應用

1 引言

在工程的勘察設計中，我們經(jīng)常碰到溶洞這一特殊地質(zhì)條件，由于溶洞一般結(jié)構(gòu)非常復雜，內(nèi)部環(huán)境非常惡劣，常規(guī)測量施測非常困難。三維激光測量技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為溶洞的勘察設計提供了全新的技術(shù)手段，三維激光掃描測量技術(shù)克服了傳統(tǒng)測量技術(shù)的局限性，采用非接觸主動測量方式直接獲取高精度三維數(shù)據(jù)，能夠?qū)ξ矬w進行掃描，且沒有白天和黑夜的限制，快速將現(xiàn)實世界的信息轉(zhuǎn)換成可以處理的數(shù)據(jù)。它具有掃描速度快、實時性強、精度高、主動性強、全數(shù)字特征等特點，可以極大地降低成本，節(jié)約時間，而且使用方便。

此情況下，對三維激光怎么掃描、掃描數(shù)據(jù)怎么處理、怎么使用這一新的數(shù)據(jù)類型進行深入的分析具有十分重要的意義。

程測量作業(yè)中，三維激光掃描已經(jīng)獲得了十分廣泛的應用，可有效降低作業(yè)成本，節(jié)省作業(yè)時間，使用也較為便利，輸出格式直接與CAD、三維動畫等工具軟件接口。但是在使用的過程中也存在不少問題有待解決。

2 三維激光掃描的技術(shù)原理與系統(tǒng)組成

2.1 技術(shù)原理

對于三維激光掃描技術(shù)的核心原理，即為在激光距離測量與步進角度測量，在進行實際測量作業(yè)時，三維激光掃描儀能夠?qū)Υ郎y量建筑物的某一個目標面發(fā)射激光，之后再通過激光發(fā)射與反射被儀器接收到的兩個時間點，形成時間差，以此來對實際距離值進行一定的計算。同時，其還能夠記錄、計算水平與垂直方向的角度值，以獲得觀測上某一點的三維相對坐標。

此外，通過連快速掃描，還可獲得若干個點的三維坐標，這些坐標值能夠在電腦中形成觀測目標的點云數(shù)據(jù)庫，在完成上述操作之后，應用后處理軟件分析處理點云數(shù)據(jù)之后，僅需要采用3D建模軟件就可形成較高精度的觀測目標虛擬三維影像，以獲得觀測目標的空間結(jié)構(gòu)和詳細內(nèi)部尺寸數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)組成

通常情況下，三維激光掃描系統(tǒng)主要構(gòu)成要素包括三維激光掃描儀、數(shù)字照片成像設備、點云數(shù)據(jù)處理軟件與其他附加設備。其中，通過掃描儀的應用，可獲得目標三維數(shù)據(jù)；對于照片成像設備，則可對目標原始情況進行相應的記錄，并且還能夠參與后期模型修正過程；對于后處理軟件，可對已經(jīng)獲得的點云數(shù)據(jù)進行一定的讀取與處理，例如ILRIS3D掃描儀的Polyworks軟件、Leica三維激光掃描儀的Cyclone后處理軟件等，上述軟件均能夠?qū)?shù)據(jù)進行編輯、轉(zhuǎn)換、拼接與三維建模。

3 三維激光掃描在溶洞探測中的應用

3.1 項目概述

某高速公路修建時，發(fā)現(xiàn)特大型廳堂式溶洞，溶洞長約150m，落差約40m，溶洞分布基本與隧道左洞軸線一致，為進一步探明溶洞形態(tài)，方便后續(xù)處治勘察設計及施工的進行，對溶洞進行了三維激光掃描。

但是現(xiàn)有的隧道設計等軟件不支持點云輸入，為解決這一現(xiàn)實問題，與現(xiàn)有的隧道設計等軟件良好銜接，在對現(xiàn)場進行精細掃描后，對數(shù)據(jù)進行進一步的應用研究，并編制相應的軟件對數(shù)據(jù)進行處理。三維激光掃描應用，解決了溶洞隧道探測的難題，極大地提高了生產(chǎn)效率，并與現(xiàn)有設計系統(tǒng)實現(xiàn)無縫對接。

3.2 三維激光掃描數(shù)據(jù)采集

控制布設：

在掃描前先行進行導線測量，將隧道控制引入溶洞區(qū)域。高程精度以四等水準要求進行控制。

以隧道施工控制點作為起算數(shù)據(jù)，使用2“級全站儀，采用一級導線，以左右線路方式形成閉合路線。

高程測量以三角高程形式測定，在平面測量時同步測量三角高程，并進行閉合水準線路平差，確保成果質(zhì)量。

在控制布設的同時，進行靶標點進行測量。

三維激光掃描儀主要采用自由架站方式進行，僅需要選擇堅硬穩(wěn)固的地面，并且能夠與目標靶標點通視的位置作為實際架站點即可。在該工程項目作業(yè)中，依據(jù)場地實際情況，在溶洞中架設了24個站點，確保每個站點均有5個激光掃描靶點。

通過布設并測定反射片，將多站掃描數(shù)據(jù)拼接成一個整體并轉(zhuǎn)換至施工坐標系。

考慮到激光不能穿透水體，洞底積水部分采用全站儀配合棱鏡進行人工測定，平面及高程測量點精度均宜＜0.05m。密度應能保證內(nèi)差斷面精度能滿足高速公路橫斷面測量精度要求。人工測定數(shù)據(jù)與掃描數(shù)據(jù)一起進行處理。

通常情況下，在外業(yè)數(shù)據(jù)采集作業(yè)中，數(shù)據(jù)掃描具有重要的作用，其主要涉及三維激光掃描與三維坐標測量兩部分內(nèi)容。在采用三維激光掃描進行工程測量作業(yè)時，應當依據(jù)儀器指標與工程實際情況，明確具體掃描間距、掃描距離與標靶位置，在掃描的點云數(shù)據(jù)中，應當能夠分辨出標靶中心位置，還需要對遮擋問題進行高度關(guān)注。

3.3 激光點云數(shù)據(jù)處理

對于激光掃描獲得的點云數(shù)據(jù)都是以掃描儀位置為零點的局部坐標系，亦即每次經(jīng)掃描而得到的點云數(shù)據(jù)的坐標系是獨立和不相關(guān)聯(lián)的。但實際上每幅點云陣數(shù)據(jù)都是掃描場景的一部分，那么有必要將這些點云數(shù)陣據(jù)轉(zhuǎn)化到同一坐標系里。所以要對得到的點云陣數(shù)據(jù)進行拼接匹配，其常規(guī)方法是利用選擇兩幅掃描圖像的公共點的辦法來實現(xiàn)拼接，選擇完成后軟件可自動完成匹配并可查看拼接匹配誤差。這樣便將各個掃描文件獨立的坐標轉(zhuǎn)換成為以導入拼接軟件的第一幅點云數(shù)據(jù)的局部坐標為整個掃描場景的坐標。然后可利用現(xiàn)場測得的標志點坐標對拼接好的點云數(shù)據(jù)進行坐標轉(zhuǎn)換，以使掃描得到的點云數(shù)據(jù)與現(xiàn)實場景的方位、位置完全一致。

項目在進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理作業(yè)時，先將通過三維激光掃描儀掃描獲得的數(shù)據(jù)導入RIEGL自帶的點云處理軟件RISCANPRO，然后對掃描數(shù)據(jù)進行相應的處理。依據(jù)每個站點數(shù)據(jù)間重疊區(qū)域數(shù)據(jù)特征進行自動拼接，并將拼接坐標轉(zhuǎn)換至施工坐標系下。通過詳細的檢查發(fā)現(xiàn)，該工程拼接精度優(yōu)于5mm。

測量數(shù)據(jù)最重要的用途是使用，因此，為了方便數(shù)據(jù)的使用，必須對數(shù)據(jù)進行必要的進一步處理，處理包括點云數(shù)據(jù)的平滑、點云數(shù)據(jù)的縮減、點云數(shù)據(jù)的分割，在此基礎上進行三維模型的重建、模型重建后的平滑、殘缺數(shù)據(jù)的處理、模型簡化和紋理映射等。方便模型的可視化表達。

同時，數(shù)據(jù)的使用不光是展示，更重要的是應用，因此數(shù)據(jù)還需要進行必要的格式轉(zhuǎn)換，提供程序開發(fā)及設計使用。因而項目轉(zhuǎn)換生成經(jīng)處理的拼接的掃描點數(shù)據(jù)，以及AutoCAD的DXF激光點云數(shù)據(jù)和3角網(wǎng)面模型數(shù)據(jù)供勘察設計的進一部使用。

3.4 激光數(shù)據(jù)的拓展運用

為了便于隧道工程設計的使用，我們針對公路設計開發(fā)相關(guān)程序?qū)c云數(shù)據(jù)進行進一步的拓展使用。

斷面的截?。?/p>

（1）緩沖區(qū)的選定

在數(shù)據(jù)的處理中，首先要明白一點，點云的密度是有限的，在數(shù)據(jù)處理中，過大的密度會增大系統(tǒng)負擔，甚至導致系統(tǒng)的崩潰。因此在實際運用中，點云的密度是有限的。

在這有限密度的點云中截取斷面，精確位于斷面上的點是稀疏的，不利于數(shù)據(jù)的利用，因此有必要設置一個緩沖區(qū)，使與斷面一定偏差內(nèi)的數(shù)據(jù)均于斷面上顯示，同時因此根據(jù)點云的密度選定適當?shù)木彌_區(qū)，是相應范圍的掃描點作為斷面數(shù)據(jù)點。使斷面上掃描點能足夠反映現(xiàn)場情況，精度又能滿足項目的需要。同時為進一步提高判別精度，對于不同偏差點設置不同的顏色。緩沖區(qū)的選定應根據(jù)規(guī)范及現(xiàn)場數(shù)據(jù)情況靈活選定。

（2）斷面的截取

首先根據(jù)公路線形，生成相應的縱橫斷面。一般情況下，公路線形是一條直線的時候較少，因此隨機軟件中的斷面生成不能滿足工程的需要。同時根據(jù)公路里程及標高生成縱斷面圖。橫斷面根據(jù)線路的切線垂線方向確定斷面方向，根據(jù)設定的斷面距離自動生成相應里程的橫斷面。同時可根據(jù)需要生成任意斷面。方便勘察設計的進行（見圖1～2）。

圖1 縱、橫斷面數(shù)據(jù)

圖2 任意斷面數(shù)據(jù)

（3）數(shù)據(jù)文件生成

點云數(shù)據(jù)生成后，擬合出斷面線，并根據(jù)設定的濾波閥值進行優(yōu)化，并生成設計需要格式的數(shù)據(jù)文件。

（4）等高點云數(shù)據(jù)

同時為方便設計人員對于洞內(nèi)情況的了解，對數(shù)據(jù)進行分層，避免數(shù)據(jù)重疊影響設計人員的判讀。同時生成易于判讀的等高線點云數(shù)據(jù)，并對不同層數(shù)據(jù)分色顯示，方便設計及其他人員的使用。如設計人員可選區(qū)相應高程數(shù)據(jù)可生成洞頂?shù)匦螆D、洞底地形圖、側(cè)視等距圖等方便外業(yè)勘測人員的現(xiàn)場使用以及設計的進一步進行。

圖3 彩色等高線點云地形圖（洞底）

圖4 側(cè)視等距圖

4 結(jié)語

總而言之，在當前工程測量作業(yè)中，三維激光掃描技術(shù)由于出現(xiàn)較晚，其運用受環(huán)境及勘察設計軟件的制約，但由于其具備無法比擬的特殊優(yōu)勢，所以在進行工程測量作業(yè)時，應積極探索數(shù)據(jù)處理的進一步完善，并將三維激光測量技術(shù)與傳統(tǒng)的測量方法聯(lián)合作業(yè)，以滿足工程實際需要，促進我國工程測量行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

［1］馬 利，謝孔振，白文斌，等.地面三維激光掃描技術(shù)在道路工程測繪中的應用［J］.北京測繪，2011（02）：48～51.

［2］郁凱帆，蔣小琴.地面三維激光掃描技術(shù)在道路工程測繪中的應用研究［J］.建材與裝飾，2015（47）：56～58.

P225.2

A

2095-2066（2016）29-0111-02

2016-9-28

胡開承（1976-），男，高級工程師、注冊測繪師，碩士，主要從事公路水運勘測工作。