劉高奇 薛棟棟

摘要 通過在建隧道二襯斷面的全站儀測量方法和三維激光掃描方法獲取數(shù)據(jù)過程的介紹，經(jīng)過數(shù)據(jù)去噪與加工，對所采集的數(shù)據(jù)進行對比，得出三維激光掃描在作業(yè)效率和精度上均取得了較好的結(jié)果，提出采用三維激光掃描儀作業(yè)在隧道限界測量中可取得較好的成果質(zhì)量和經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞 三維激光掃描 限界測量 精度與效益比較

1 概述

隨著三維激光掃描技術(shù)的不斷提高，點云測量數(shù)據(jù)處理方法的改進，三維激光掃描設(shè)備單價的降低，以及隧道工程對建筑限界的要求越來越高，很多技術(shù)人員在隧道施工中積極的探索了使用三維激光掃描儀進行監(jiān)測與二襯檢測[1-5]，并積累了大量的經(jīng)驗，一些論文中做出了有意義的總結(jié)，通過全站儀測量數(shù)據(jù)與三維掃描儀測量數(shù)據(jù)做對比，提出兩者精度接近，可替換使用[6]。提出入射角超過60°掃描數(shù)據(jù)精度大幅降低，宜以60°為參考，結(jié)合隧道斷面內(nèi)徑來選取設(shè)站間距[7]。控制測站間距不超過30m，間距差不超過1m，測站高度超過1.6m，且保證相鄰測站具有相同的測量順序[8]。本文依托興泉鐵路在建隧道，開展研究，總結(jié)在二襯施工后，如何利用三維激光掃描儀高效準確的測量凈空限界，并根據(jù)項目實際情況提出三維激光掃描儀的使用建議。

2 全站儀與三維激光掃描儀獲取數(shù)據(jù)的方法

2.1 全站儀獲取數(shù)據(jù)的方法

研究采用機載斷面監(jiān)測程序控制儀器完成斷面測量，機載程序適用于免棱鏡功能全站儀;PC后處理軟件程序安裝在PC機上，用于數(shù)據(jù)的分析整理;全站儀設(shè)站方式為定向測量或后方交會，啟動該程序后輸入斷面里程，儀器將自動測量斷面。搜索范圍設(shè)置5m，所測里程5m范圍內(nèi)自動尋找所測里程點，里程測量限差0.2m，測點在所測里程±0.2m內(nèi)儀器儲存測點，測點間距為環(huán)向點間距，斷面上每50cm測量一個點，測量時，全站儀基本安置于所需測量斷面正下方，測量前后5m范圍3個斷面，使激光與反射面垂直，保證測量精度（如圖1）。研究段落共測量斷面20組，平均每斷面測點40個。

2.2 三維激光掃描儀獲取數(shù)據(jù)的方法

三維激光掃描通過水平方向、垂直方向快速 360°旋轉(zhuǎn)，結(jié)合激光測距原理，快速測定各測點距球心的距離，通過點云數(shù)據(jù)（單次測站百萬級以上個點構(gòu)成，點與點間距毫米級），快速構(gòu)建“復(fù)制”場景輪廓圖（如圖2）[9]。本次研究選用掃描儀為FARO M70，掃描前需全站儀利用洞內(nèi)導(dǎo)線點定向傳遞掃描儀坐標和高程，對掃描儀左、右側(cè)棱鏡和圓棱鏡標靶進行進行坐標、高程測量，數(shù)據(jù)處理時轉(zhuǎn)換成絕對定位，使掃描成果與線路成果坐標系統(tǒng)和高程系統(tǒng)一致，（如圖2、圖3）。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 線路要素輸入

機載斷面儀和掃描儀平曲線輸入基本相同（線元法），機載斷面儀豎曲線輸入時半徑區(qū)分正負號（凹曲線為-，凸曲線為+），掃描儀輸入半徑時不區(qū)分正負號，設(shè)計斷面輸入相同（機載斷面儀為單個斷面計算超欠挖，掃描儀為連續(xù)、區(qū)域出圖更加方便）。

3.2 控制點選取

研究隧道為單線隧道，洞內(nèi)狹小，為保證設(shè)站精度不選用后方交會，采用定向測量，主控制導(dǎo)線點為200m 1對布設(shè)，使用機載斷面儀測量時對所測范圍內(nèi)每60m進行轉(zhuǎn)點，在每個轉(zhuǎn)點上架站進行斷面測量。三維激光掃描儀需全站儀傳遞坐標、高程，在主控制點上架設(shè)全站儀，在小于后視距離范圍內(nèi)任意架設(shè)掃描進行測量[10]（如圖3）。

3.3 三維激光掃描儀數(shù)據(jù)去噪

三維激光掃描儀測量結(jié)果中不可避免地包含各種誤差，其中一部分誤差表現(xiàn)出噪聲特性，主動無接觸覆蓋式測量受環(huán)境干擾，可能產(chǎn)生非測量目標物體表面的無用數(shù)據(jù)和離群噪聲，物體表面的尖銳特征等使激光入射角劇變可能導(dǎo)致測量產(chǎn)生毛刺噪聲，無合作目標的激光測距方式必然產(chǎn)生細小的隨機噪聲。它們的存在影響整個點云數(shù)據(jù)的分析效率和精度，因此需要對其按照分布大小進行針對性的去除或調(diào)整。

外業(yè)去噪：測量時對遮擋物搬除，關(guān)閉風(fēng)袋使噪聲成一條線，減小噪聲保證測量質(zhì)量降低內(nèi)業(yè)處理噪聲時間。

內(nèi)業(yè)去噪：，點云數(shù)據(jù)處理后正射影像圖顯示紅色表示欠挖，正射影像圖顯示左側(cè)4m處欠挖，根據(jù)圖分析大面積欠挖屬于遮擋，打開3D影像直觀顯示欠挖部位，風(fēng)管和水管遮擋導(dǎo)致欠挖（如圖4），大面積欠挖可在報表圖中注明，小面積遮擋欠挖可進行去噪處理。

3.4 數(shù)據(jù)對比

選取DK285+710-DK285+810作為測試區(qū)，掃描儀架設(shè)在DK285+760處，機載斷面儀架設(shè)在DK285+715、+730、+745、+760、+775、+790、+805里程處，每5米測量一個斷面，共測量10個斷面進行數(shù)據(jù)分析對比。其中掃描儀斷面圖環(huán)向點間距0.05m，機載斷面圖環(huán)向點間距0.5m，數(shù)據(jù)對比（如圖5，表1）：

數(shù)據(jù)分析：根據(jù)對比圖表可以得出，掃描儀架設(shè)位置前后20m所測精度在1cm內(nèi)，且最小值出現(xiàn)的測點基本都在拱頂附近，也是儀器仰角較大的位置，證明了角度與距離對數(shù)據(jù)精度的影響較大。前后50m在距離相同的條件下的差值較大（8mm），但角度和距離變化不大，說明單純的考慮角度或者距離都無法取得理想的成果，綜合分析應(yīng)以控制掃描距離在20m范圍內(nèi)為宜。

3.5 三維激光掃描與全站儀作業(yè)效率對比

通過耗用人工、作業(yè)時間、操作難易、數(shù)據(jù)處理時間及數(shù)據(jù)精度等對比，三維激光掃描儀在作業(yè)效率上具有極大的優(yōu)勢。

結(jié)語

經(jīng)過試驗，三維激光掃描儀在距離與測量角度適宜的情況下，能夠取得較好的精度，滿足凈空限界的測量要求，且三維激光掃描儀在作業(yè)效率上是傳統(tǒng)全站儀機載斷面測量作業(yè)的幾倍至幾十倍，在數(shù)據(jù)成果上以點云數(shù)據(jù)體現(xiàn)，能夠截取任意斷面數(shù)據(jù)，表格與圖形展示內(nèi)容更加豐富，能夠有效避免限界侵限測量的漏檢，同時為后續(xù)隧道成品展示的三維建模提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，雖然目前三維激光掃描設(shè)備較昂貴，但是其作業(yè)效率與衍生產(chǎn)品對工程信息化管理都具有極高的意義，新建鐵路隧道施工也廣泛將該項技術(shù)應(yīng)用作為強制性要求推廣，如何應(yīng)用好該技術(shù)，使三維激光掃描技術(shù)更好的服務(wù)工程建設(shè)，是我們后續(xù)研究的方向。

參考文獻

[1]孫文晉.三維激光掃描技術(shù)在隧道襯砌質(zhì)量控制中的應(yīng)用[J].中國公路，2019（14）：110-111.

[2]魏新元.三維激光掃描技術(shù)在張吉懷鐵路隧道施工中的應(yīng)用[J].工程技術(shù)研究，2019，4（11）：87-88.

[3]王海風(fēng).三維激光掃描技術(shù)在隧道檢測中的應(yīng)用[J].山西建筑，2018，44（23）：187-189.

[4]劉歡，王立娟，裴尼松等.三維激光掃描技術(shù)在米倉山特長隧道施工中的可行性應(yīng)用研究[J].測繪通報，2017（09）：83-87+115.

[5]李靜，李長青，鄧洪亮.三維激光掃描技術(shù)在隧道襯砌施工質(zhì)量管理中的應(yīng)用研究[J].施工技術(shù)，2017，46（14）：134-136.

[6]胡琦佳，魯勇，李春華.三維激光掃描技術(shù)在隧道斷面限界檢測中的應(yīng)用[J].工程勘察，2020，48（03）：56-59.

[7]李宗平，張永濤，楊釗等.三維激光掃描技術(shù)在隧道變形與斷面檢測中的應(yīng)用研究[J].隧道建設(shè)，2017，37（03）：336-341.

[8]薛松.三維激光掃描技術(shù)在隧道工程檢測中的應(yīng)用[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2018（02）：260-261.

[9]侯海元.三維激光掃描技術(shù)在隧道超欠挖施工中的應(yīng)用[J].西部交通科技，2018（08）：109-111+163.

[10]王智，李勇，張洪德等.三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道施工質(zhì)量檢測中的應(yīng)用研究[J].城市勘測，2018（03）：114-116.

中鐵十七局集團第二工程有限公司 陜西西安 710000