尤旭東（上海申通地鐵集團(tuán)有限公司，上海 200070）

地鐵改造過(guò)程中常常碰到原有設(shè)計(jì)圖紙缺失，或者實(shí)際施工管線位置同設(shè)計(jì)圖紙存在一定差異，如根據(jù)原圖紙進(jìn)行改造設(shè)計(jì)則會(huì)引起很大問(wèn)題。為此需要對(duì)既有結(jié)構(gòu)管線重新進(jìn)行測(cè)繪建模，獲得實(shí)際的情況。傳統(tǒng)的方法首先采用經(jīng)緯儀、全站儀、水準(zhǔn)儀等手段對(duì)管線進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，然后將測(cè)量后的信息記錄下來(lái)，最后按照記錄的信息在電腦 CAD 環(huán)境下繪圖出來(lái)，該方法效率低下，而且容易出錯(cuò)。隨著三維激光掃描儀的出現(xiàn)，借助三維掃描技術(shù)可以一次性快速地獲得結(jié)構(gòu)管線的三維坐標(biāo)信息，然后借助后處理軟件可以快速地將三維坐標(biāo)信息導(dǎo)入 CAD 環(huán)境下自動(dòng)生成三維模型或圖紙，大大提升了測(cè)繪效率。

1 工程項(xiàng)目背景

軌道交通 13號(hào)線馬當(dāng)路站位于馬當(dāng)路與徐家匯路交界口處，車(chē)站需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造施工，改造前需要對(duì)車(chē)既有站頂部的風(fēng)管、水管和電纜線路等進(jìn)行建模，最終形成現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的真實(shí)三維模型，并驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

2 三維激光掃描方案

2.1 方案介紹

三維激光掃描技術(shù)克服了傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的局限性，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)，能夠?qū)θ我馕矬w進(jìn)行掃描，且沒(méi)有白天和黑夜的限制，快速將現(xiàn)實(shí)世界的信息轉(zhuǎn)換成可以處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最終將獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建成實(shí)體三維幾何模型。本項(xiàng)目技術(shù)方案分為 4 個(gè)步驟進(jìn)行：數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云拼接、管線建模和現(xiàn)場(chǎng)檢核。

2.2 數(shù)據(jù)采集

2.2.1 掃描設(shè)站

設(shè)備采用 FARO 掃描儀采集，根據(jù)車(chē)站面積大小擬架設(shè) 40 站。對(duì)于管線分岔或者變徑等關(guān)鍵位置，我們將單獨(dú)架站進(jìn)行精確掃描，并將掃描結(jié)果導(dǎo)入到現(xiàn)場(chǎng)配備的 PC 機(jī)中，第一時(shí)間查看點(diǎn)云質(zhì)量和關(guān)鍵位置的信息，避免后期返工重測(cè)。數(shù)據(jù)采集關(guān)鍵內(nèi)容是靶球布設(shè)和掃描參數(shù)設(shè)置，靶球布設(shè)決定了點(diǎn)云數(shù)據(jù)后期的配準(zhǔn)精度，掃描參數(shù)決定了掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量與掃描效率。

FARO 掃描儀自身無(wú)法定向定位，因此各站掃描數(shù)據(jù)是相互獨(dú)立的，為了將所有數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到統(tǒng)一坐標(biāo)系下，需要在現(xiàn)場(chǎng)布置靶球，以此作為兩站數(shù)據(jù)的公共部分，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)，因此數(shù)據(jù)配準(zhǔn)質(zhì)量取決于靶球的布設(shè)方法和靶球的測(cè)量精度。本項(xiàng)目采用固定式靶球布設(shè)法，在布設(shè)靶球時(shí)，綜合考慮測(cè)站間距（控制在 12m左右）和測(cè)站位置（每?jī)蓚€(gè)立柱間架設(shè)一站），大致將其布置成等邊三角網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)保證每相鄰兩站能同時(shí)掃描到 3 個(gè)以上的公共球，以此來(lái)保證靶球的測(cè)量精度和數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的質(zhì)量。

2.2.2 參數(shù)設(shè)置

點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取需經(jīng)過(guò)“掃描儀安置→掃描參數(shù)設(shè)置→掃描→紋理影像數(shù)據(jù)采集”等過(guò)程。其中掃描參數(shù)的設(shè)置至關(guān)重要，直接影響掃描精度和數(shù)據(jù)采集的效率。掃描參數(shù)主要包括測(cè)站間距與掃描分辨率。

（1）測(cè)站間距設(shè)置 ：在數(shù)據(jù)采集時(shí)要布設(shè)多個(gè)測(cè)站分別進(jìn)行掃描，測(cè)站間距越大，所需測(cè)站總數(shù)就越少，掃描時(shí)間就越短，但是過(guò)大的測(cè)站間距會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)云質(zhì)量下降，測(cè)量誤差也會(huì)變大。另外，現(xiàn)場(chǎng)掃描時(shí)車(chē)站頂部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，遮擋嚴(yán)重，如果站間距過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致所需的管線被遮擋，造成原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失，影響了后期的數(shù)據(jù)處理和建模工作。因此，綜合考慮掃描精度和數(shù)據(jù)采集的效率，本項(xiàng)目測(cè)站間距約定為 12 m，即每?jī)蓚€(gè)車(chē)站立柱之間架設(shè)一個(gè)測(cè)站。同時(shí)，為了更清楚、準(zhǔn)確地采集到真實(shí)的管線點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)于管線分岔或者變徑等關(guān)鍵位置，將另外單獨(dú)架站進(jìn)行精確掃描。

（2）分辨率設(shè)置：FARO 掃描儀的分辨率有“1/1、1/2、1/4、1/5、1/8、1/16”6 檔可選，分辨率設(shè)置越高，點(diǎn)云的密度越大，被掃描物體的細(xì)節(jié)就越清楚，但掃描所需時(shí)間也大大增加。FARO 掃描儀的不同分辨率對(duì)應(yīng)點(diǎn)間距見(jiàn)表 1。如上文所述，站間最佳距離為 12 m，則點(diǎn)離掃描儀最遠(yuǎn)距離為 6 m，因此，為確保最高的掃描效率，可取 1/5分辨率，此時(shí) 6m處的點(diǎn)間距約為 4.6 mm，若將掃描質(zhì)量控制為 4 X，單站的測(cè)量時(shí)間約為 5 min 33 s。

表1 FARO Focus 3D掃描儀分辨率

2.2.3 作業(yè)流程

在布設(shè)好靶球、設(shè)置好儀器參數(shù)后，便可進(jìn)行單站獨(dú)立掃描，具體三維激光掃描儀外業(yè)操作流程如圖 1 所示。Stn 1 為掃描的起始站，該站掃描結(jié)束后，搬至 Stn 2，Stn 2 為中間站，因此 Stn 2 架站時(shí)要考慮與 Stn 1 有 3 個(gè)以上的公共靶球，且與 Stn 3 有 3 個(gè)以上的公共靶球，中間站架設(shè)儀器時(shí)均要保證與相鄰站有 3 個(gè)以上的公共靶球，并且要保證該站掃描元素（管道、柱墻等）的完整性，在特殊結(jié)構(gòu)（如管道變徑、變向）處，可適當(dāng)增加測(cè)站，以方便后期拼接。以此類(lèi)推，直到最后一站 Stn 25。Stn 1 至 Stn 25 形成一個(gè)閉合線路，以此來(lái)保證整個(gè)結(jié)構(gòu)完全拼接。

圖1 掃描設(shè)站及作業(yè)流程

2.3 點(diǎn)云預(yù)處理拼接

在掃描過(guò)程中，受激光掃描儀視場(chǎng)角的限制，每站掃描時(shí)只能獲取當(dāng)前掃描儀坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，車(chē)站狹長(zhǎng)形的特征也限制了掃描的有效距離，這決定了不可能只通過(guò)一次掃描就得到整個(gè)車(chē)站頂部管線的坐標(biāo)及屬性數(shù)據(jù)。因此，必須分站對(duì)其進(jìn)行掃描，并將多個(gè)站點(diǎn)下獲取的點(diǎn)云進(jìn)行拼接，得到一個(gè)統(tǒng)一坐標(biāo)系下的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)集，這就涉及到點(diǎn)云拼接問(wèn)題。

本案例采用 FARO SCENE 軟件進(jìn)行拼接處理，將采集到的單站獨(dú)立點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到 SCENE 軟件中，并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾、平滑、補(bǔ)償?shù)炔僮鬟M(jìn)行數(shù)據(jù)去噪，通過(guò)自動(dòng)對(duì)象識(shí)別技術(shù)自動(dòng)識(shí)別定位靶球，并依次編號(hào)，最后通過(guò)注冊(cè)掃描實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接。拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)已經(jīng)在同一坐標(biāo)系下，此時(shí)可查看點(diǎn)云拼接的精度，如果發(fā)現(xiàn)某一站拼接精度偏大，可通過(guò)人工識(shí)別靶球的方式重新更新掃描，進(jìn)行優(yōu)化平衡，使拼接精度達(dá)到最優(yōu)。

2.4 管線建模

Galaxy-Eye 是一款快速大空間三維點(diǎn)云處理軟件，也是一款專業(yè)的管線建模軟件。在前面采用 FARO SCENE 預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以直接導(dǎo)入該軟件內(nèi)，實(shí)現(xiàn)管線自動(dòng)擬合，后期采用需要人工對(duì)照點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)擬合結(jié)果進(jìn)行精確地檢查和完善，擬合成果見(jiàn)圖 2、圖 3。

圖2 車(chē)站整體管線模型與三維點(diǎn)云圖

圖3 管線CAD模型圖

2.5 模型和現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核對(duì)比

為了驗(yàn)證三維掃描技術(shù)的準(zhǔn)確性，將掃描建立的模型同實(shí)際對(duì)比，圖 4 選取了兩組對(duì)比效果。

圖4 掃描建立的模型同實(shí)際對(duì)比

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）采用三維激光掃描儀可以快速地對(duì)結(jié)構(gòu)及管線進(jìn)行掃描建模，較傳統(tǒng)方法有很大優(yōu)勢(shì)。

（2）三維激光掃描儀掃描設(shè)站需要考慮場(chǎng)地間距、分辨率、精度綜合因素設(shè)定。

（3）靶標(biāo)設(shè)置較為關(guān)鍵，數(shù)量和位置設(shè)置決定最終模型效果的精度和準(zhǔn)確性。

（4）采用三維激光后處理軟件建立的模型同實(shí)際誤差較小，可以反映真實(shí)的物體模型。