丁 朋，樓加丁，楊新明

（中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

溶洞、采空區(qū)等地下空洞會對水利水電、市政、交通等工程的建設(shè)造成威脅，因此對地下空洞的精確探測也更加迫切。地下空洞探測對于填充工程施工中遇到的地下溶洞、消除地下采空區(qū)安全隱患、分析地質(zhì)構(gòu)造等具有重要意義。

常見的地質(zhì)探測手段包括電法、瞬變電磁、探地雷達(dá)、地震反射探測、地質(zhì)鉆探、鉆孔電視等[1]，這些常規(guī)探測手段能夠找到地下空洞的大致位置，但是無法或者很難確定地下空洞的大小、形狀和走向。由于地下空洞普遍存在高溫、高濕、空間狹小、可視性差、通訊信號差、危險性大等情況，人員根本無法進(jìn)入或者由于安全原因不宜進(jìn)入，無法實施人工接觸測量，因此也就無法確定地下空洞的大小、形狀和走向。

三維激光掃描技術(shù)克服了傳統(tǒng)測量的局限性，具有快速、無接觸、精度高、主動性強(qiáng)及全數(shù)字特征等優(yōu)點[2～5]。地下空洞三維激光掃描系統(tǒng)能夠?qū)Φ叵驴斩吹膬?nèi)部結(jié)構(gòu)實施精確測量，但是技術(shù)實現(xiàn)較為復(fù)雜，目前，國內(nèi)外能夠?qū)Φ叵驴斩吹膬?nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維精確掃描且效果良好的裝置，僅有Optech公司的CMS系列空區(qū)三維激光掃描系統(tǒng)和MDL公司的C-ALS地下洞穴三維激光掃描系統(tǒng)[1]。上述系統(tǒng)由于價格昂貴，技術(shù)壁壘嚴(yán)重，很難在國內(nèi)普及應(yīng)用。本文設(shè)計了一種簡易的探測地下空洞三維結(jié)構(gòu)的激光掃描裝置——LS-1地下空洞三維激光掃描儀，該裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、性能穩(wěn)定，實現(xiàn)了對溶洞、采空區(qū)等地下空洞的自動化掃描，利用采集到的點云數(shù)據(jù)，可以較為準(zhǔn)確地計算出地下空洞的幾何形態(tài)，為工程設(shè)計、施工和評價提供可靠的基礎(chǔ)資料。

1 實現(xiàn)原理

1.1 激光的特點

激光具有普通光所完全不具備的四大特性[6]：

（1）定向發(fā)光。普通光源向四面八方發(fā)光，而激光的發(fā)光方向可以限制在0.001弧度立體角內(nèi)，接近水平。

（2）亮度極高。激光是當(dāng)代最亮的光源，盡管激光的總能量并不一定很大，但能量高度集中，激光的亮度與陽光之間的比值是百萬級的，而且它是人類創(chuàng)造的。

（3）單色性好。光首先是一種電磁波，光的顏色取決于它的波長。普通光源發(fā)出的光通常包含著各種波長，是各種顏色光的混合，而激光的波長只集中在十分窄的光譜波段或頻率范圍內(nèi)。

（4）相干性好。干涉是波動現(xiàn)象的一種屬性，基于激光具有高方向性和高單色性的特性，相干性極好。

1.2 實現(xiàn)原理

地下空洞三維激光掃描技術(shù)的核心是掃描位置驅(qū)動、距離測量和方位測量。在進(jìn)行實際測量作業(yè)時，三維激光掃描儀對地下空洞的某一處洞壁發(fā)射窄束激光脈沖，之后計算激光脈沖從發(fā)出到經(jīng)被測洞壁表面反射回儀器所用的飛行時間，再計算出待測距離（見圖1），同時輔助以電子羅盤、陀螺儀或傾角傳感器等方位測量模塊，實時記錄、計算發(fā)射出去的窄束激光脈沖在水平與垂直方向上的角度值，以獲得某一點的三維相對坐標(biāo)。在電機(jī)的驅(qū)動下自動掃描空洞的內(nèi)壁，最終獲取整個空洞的三維點云數(shù)據(jù)[1～3,5～7]。

圖1 激光測距原理示意圖

2 設(shè)計思路

LS-1地下空洞三維激光掃描儀總體設(shè)計框架見圖2。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計框架

系統(tǒng)主要分為井上采集主機(jī)和井下探頭兩部分，采集主機(jī)電路使用基于ARM CortexTM-A8內(nèi)核的S5PV210處理器，采集軟件基于WinCE6.0下的MFC框架設(shè)計，主要由人機(jī)交互、通信、數(shù)據(jù)采集與顯示、文件讀寫、數(shù)據(jù)處理五大功能模塊組成。探頭主要由STM32控制板、集電環(huán)、步進(jìn)電機(jī)、激光測距傳感器、三維電子羅盤、不銹鋼金屬外殼等組成，其中激光測距傳感器用來測量激光束發(fā)射點到洞壁之間的距離，最大探測距離30 m以上；三維電子羅盤與激光測距傳感器固定在一起，用來定位激光束的發(fā)射方向；步進(jìn)電機(jī)用來驅(qū)動激光測距傳感器與三維電子羅盤一起水平360°旋轉(zhuǎn)。絞車主要由手柄、傳動裝置、停止器和電纜線等組成。采集主機(jī)和探頭之間采用RS485數(shù)字通信方式。

3 系統(tǒng)簡介

LS-1地下空洞三維激光掃描儀是一套鉆孔式地下空洞三維激光掃描系統(tǒng)，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來直接獲取高精度的三維數(shù)據(jù)，能夠?qū)斩磧?nèi)壁進(jìn)行從上到下（或者從下到上）逐層水平360°自動化掃描，具有精度高、實時性強(qiáng)、安全性高等特點，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、使用便捷，實現(xiàn)了對工程勘察、施工過程中遇到的地下空洞的幾何形態(tài)的無接觸式精確測量。系統(tǒng)主要由地面采集主機(jī)、探頭、絞車、孔口滑輪、連接線（連接絞車和采集主機(jī)）等組成，實物見圖3。

圖3 LS-1地下空洞三維激光掃描儀

（1）探頭：在采集主機(jī)的指令控制下，實現(xiàn)對水平斷面輪廓的360°全周掃描，并將掃描生成的點云數(shù)據(jù)傳回至采集主機(jī)。

（2）采集主機(jī)：用于數(shù)據(jù)采集、斷面輪廓顯示、數(shù)據(jù)管理等。采集主機(jī)工作界面見圖4。

圖4 采集主機(jī)工作界面

（3）絞車：用于收放探頭，并與連接線一起實現(xiàn)采集主機(jī)與探頭之間的通信連接。

（4）附屬設(shè)施：包括井口滑輪、連接線等。

4 使用方法

系統(tǒng)工作示意圖見圖5。

圖5 系統(tǒng)工作示意圖

系統(tǒng)采用非接觸式激光測距方式，從上到下（或者從下到上）按照設(shè)定的角度間隔逐層水平360°掃描一圈獲取空洞的輪廓點云，每個掃描斷面最多可采集3600個點云數(shù)據(jù)，以保證輪廓的還原精度，同時軟件支持單點復(fù)合采集，即一周采集完之后，用戶可以通過采集軟件的輪廓預(yù)覽功能模塊判斷某些采集值是否異常，如果有異常，經(jīng)過簡單的設(shè)置，系統(tǒng)可以通過旋轉(zhuǎn)電機(jī)將激光測距傳感器和三維電子羅盤定位到這些采集點重新進(jìn)行測量，待整個空洞掃描完畢之后，再利用室內(nèi)三維建模處理軟件生成三維模型，計算出空洞的大小、形狀和走向。

采集時系統(tǒng)工作流程見圖6，采集過程主要遵循以下八個步驟：

第1步：參數(shù)設(shè)置；

第2步：放置探頭到某個位置；

第3步：根據(jù)情況修改參數(shù)；

第4步：根據(jù)情況對儀器校準(zhǔn)；

第5步：數(shù)據(jù)采集；

第6步：對部分?jǐn)?shù)據(jù)復(fù)核重采；

第7步：數(shù)據(jù)存盤；

第8步：循環(huán)執(zhí)行上述步驟2～7，直至地下空洞內(nèi)部結(jié)構(gòu)掃描完畢為止。

注意采集過程中，務(wù)必保持探頭不動。

圖6 系統(tǒng)工作流程圖

5 工程應(yīng)用

某水電站為Ⅱ等大（2）型工程，工程樞紐由碾壓混凝土重力壩、壩身溢流表孔、左岸引水系統(tǒng)、左岸地下廠房及右岸預(yù)留通航建筑物等組成。電站裝機(jī)容量558 MW（3×180 MW+1×18 MW），保證出力97 MW，多年平均發(fā)電量15.61億kWh。水庫正常蓄水位585 m，死水位580 m，正常蓄水位以下庫容1.365億m3，調(diào)節(jié)庫容0.307億m3，水庫具有日調(diào)節(jié)性能。

電站在進(jìn)行右岸上層帷幕幕墻灌漿施工過程中，鉆孔SCWM-ZK-9在鉆孔施工過程中發(fā)現(xiàn)巖溶（鉆孔過程當(dāng)中發(fā)生落鉆5m現(xiàn)象），為研究落鉆區(qū)域巖溶特征，采用了LS-1地下空洞三維激光掃描儀進(jìn)行探測，根據(jù)以鉆孔為中心的可測試范圍內(nèi)掃描采集數(shù)據(jù)繪制了可測區(qū)域巖溶走向（圖7），確定溶洞走向為近東西向，且東小西大，東高西低。根據(jù)數(shù)據(jù)體模擬可測區(qū)域外邊界推算巖溶體積，三維立體顯示溶洞呈“胃”狀，估算體積約150 m3（圖8）。為電站帷幕提供了設(shè)計依據(jù)。

電站根據(jù)探測成果結(jié)合巖溶危害性，決定從中層灌漿廊道延長帷幕線揭露巖溶區(qū)，后經(jīng)開挖揭露落鉆區(qū)域巖溶高度4 m～6 m，寬度 4 m～7 m，長度 6 m～8 m，體積約為 150 m3，延伸方向近東西向，形體、走向與探測成果一致，三維激光掃描儀探測的溶洞精度完全滿足要求。

圖7 巖溶走向圖

圖8 巖溶區(qū)局部三維視圖

6 結(jié)語

針對地下空洞三維結(jié)構(gòu)探測的需求及工作中遇到的大量地下空洞（主要是溶洞）的特點，提出了一種簡易鉆孔式三維激光掃描儀的設(shè)計方案，并自主研發(fā)了LS-1地下空洞三維激光掃描儀，為驗證整個系統(tǒng)的實際探測能力及工作效果，對某水電站右岸頂層巖溶區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場試驗，試驗結(jié)果表明采用該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地探明溶洞的大小、形態(tài)和走向，為溶洞的后續(xù)施工處理提供了可靠的基礎(chǔ)資料。

目前，系統(tǒng)還存在一些缺陷，如：無法實時觀察洞內(nèi)情況和只適用于非填充型地下空洞內(nèi)部形態(tài)的探測等。下一步將嘗試通過添加紅外攝像功能、超聲波測距功能等技術(shù)手段，使其更加完善，應(yīng)用范圍更加廣泛。