張好軍

(河南省第二建設(shè)集團(tuán)有限公司,河南 鄭州 451464)

0 引 言

所謂地下建筑物，指的是在天然溶洞中或通過(guò)人工開(kāi)挖后建成的各類建筑物，如隧道、地鐵、車庫(kù)以及人防工程等。地下建筑物通?？煞譃槿蟛糠?，外圍護(hù)樁、樁基以及主體。相較于其他類型的實(shí)體，地下建筑物的形狀相對(duì)規(guī)則，功能比較豐富。從三維表達(dá)角度分析地下建筑物時(shí)，需要對(duì)它的外部形狀以及內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)做綜合的分析與考慮[1]。

地下建筑物測(cè)量的技術(shù)、要點(diǎn)、步驟等與地上建筑物工程測(cè)量存在很大差別。在測(cè)量地下建筑物時(shí)，不僅需測(cè)量工程主體結(jié)構(gòu)，還需準(zhǔn)確測(cè)量工程施工范圍內(nèi)的地表附屬設(shè)施，從而使地上、地下信息更好地統(tǒng)一起來(lái)。并且在測(cè)量地下建筑物時(shí)，需同時(shí)測(cè)量建筑工程所在水平方向上位置信息以及建筑工程高度信息，需采集建筑所有特征點(diǎn)信息，綜合各項(xiàng)信息準(zhǔn)確得出建筑工程立體形狀以及垂直方向上的具體位置。下面就地下建筑工程三維測(cè)量技術(shù)與應(yīng)用做具體分析。

1 利用全站儀進(jìn)行地下建筑工程三維測(cè)量

利用全站儀測(cè)量地下建筑物，獲取地下建筑物的三維數(shù)據(jù)，在當(dāng)前應(yīng)用得比較廣泛。應(yīng)用全站儀測(cè)量時(shí)，需按照先控制后碎部的原則順序進(jìn)行，從用全站儀做控制到用全站儀測(cè)量空間特征點(diǎn)的方法進(jìn)行。在應(yīng)用全站儀測(cè)量地下建筑物三維坐標(biāo)時(shí)，測(cè)量地物底部特征點(diǎn)的坐標(biāo)比較容易，但測(cè)量地物頂部特征點(diǎn)三維坐標(biāo)則難度相對(duì)較大。一般情況下，在測(cè)量頂部特征點(diǎn)平面坐標(biāo)與高程時(shí)可采用以下三種方式：

(1) 可在頂部特征點(diǎn)上直接放置棱鏡進(jìn)行測(cè)量，這種方法對(duì)于特征點(diǎn)選擇準(zhǔn)確、直觀，但是棱鏡的放置難度比較大。

(2) 可先測(cè)量出地下建筑物相應(yīng)的底部特征點(diǎn)坐標(biāo)與高程，然后測(cè)量出特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)高度，將數(shù)據(jù)整合后得到所需信息，這種方法比較麻煩，效率低。

(3) 運(yùn)用全站儀免棱鏡測(cè)量模式可以直接獲得建筑物各特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，這種方法在選取特征點(diǎn)時(shí)，容易出錯(cuò)，需要認(rèn)真細(xì)心、重復(fù)校核。

由于地下建筑物所處的位置比較特殊復(fù)雜，因此在測(cè)量時(shí)必須做好規(guī)劃以及過(guò)程控制，選取合理的測(cè)量方法，以保證最終能得到真實(shí)、精準(zhǔn)、全面且詳細(xì)的地下建筑信息。下面主要以地下建筑物地下高程測(cè)量為例詳細(xì)敘述如何運(yùn)用全站儀測(cè)得地下建筑物特征信息。

在測(cè)量時(shí)，為了使地面、地下建立統(tǒng)一的高程系統(tǒng)，先通過(guò)豎井將地面高程傳遞到地下巷道中，也就是導(dǎo)入高程。在進(jìn)行豎井類型的高程導(dǎo)入測(cè)量時(shí)，應(yīng)先在地面井口附近設(shè)引測(cè)一個(gè)已知高程點(diǎn)，已知高程為H，然后在井底下相應(yīng)位置設(shè)一個(gè)高程待求點(diǎn)，如圖1所示。設(shè)點(diǎn)完畢后，將一把長(zhǎng)鋼尺的尺段豎直放于豎井內(nèi)，在地面與井下同時(shí)安置水準(zhǔn)儀，通過(guò)水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量，讀取長(zhǎng)鋼尺上的讀數(shù)a和b。得到井上、井下兩點(diǎn)之間的視線距離b-a，隨后在已知高程點(diǎn)和高程待求點(diǎn)分別放置塔尺測(cè)得視線高c和d。

圖1

那么，就可通過(guò)公式Hd=H-(b-a-c+d)計(jì)算,得到井下高程待求點(diǎn)的高程Hd。

在這一測(cè)量過(guò)程中，也可以采用長(zhǎng)鋼絲法以及光電測(cè)距儀法等，這兩種方法都比較適用[2]。

2 利用三維激光掃描儀進(jìn)行地下建筑工程三維測(cè)量

三維激光掃描是一種先進(jìn)的全自動(dòng)高精度立體掃描技術(shù)，能完整、精確、快速地獲得原始測(cè)量數(shù)據(jù)并能夠重建掃描實(shí)物。在應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)時(shí)，主要是進(jìn)行基于面的數(shù)據(jù)采集。在測(cè)量過(guò)程中，先通過(guò)激光掃描獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就得到最終信息。

相較于傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)具有以下特點(diǎn)。首先，測(cè)量方式為非接觸式測(cè)量。在測(cè)量時(shí)不需要安放反射棱鏡就能直接全方位掃描目標(biāo)體并獲得目標(biāo)體表面云點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。因?yàn)槟茏龅椒墙佑|式測(cè)量，所以三維激光掃描技術(shù)能完成一些高難度、高風(fēng)險(xiǎn)的測(cè)量任務(wù)。其次，三維激光掃描技術(shù)的擴(kuò)展性強(qiáng)、數(shù)字化程度高。運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)測(cè)量地下建筑物時(shí)，獲得的數(shù)據(jù)為全數(shù)字信號(hào)，這就為數(shù)據(jù)的處理、分析、輸出等提供了便利。再次，相較于全站儀，三維激光掃描技術(shù)的分辨率、數(shù)據(jù)采樣率更高，能夠更準(zhǔn)確地提供建筑物特征點(diǎn)數(shù)據(jù)。最后，數(shù)據(jù)采集速度快，工作效率高。研究與實(shí)踐證明，采用相位激光法測(cè)量的三維激光掃描儀能達(dá)到數(shù)十萬(wàn)點(diǎn)/秒，采樣速率極高[3]。

三維激光掃描儀主要由儀器箱、電池、電源電纜、三角基座、掃描主機(jī)、通信電纜、掃描頭以及處理軟件組成。利用掃描主機(jī)、三角基座構(gòu)成一個(gè)底面固定式三維激光掃描系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行掃描測(cè)量，獲取目標(biāo)物的各項(xiàng)三維信息。

在測(cè)量時(shí)，先完成場(chǎng)地踏勘，根據(jù)現(xiàn)有情況估計(jì)掃描站應(yīng)設(shè)的站數(shù)與位置，盡量保證掃描區(qū)域有公共部分，盡可能減少其他物體的遮擋。完成以上工作后就開(kāi)始布設(shè)控制網(wǎng)。在布網(wǎng)時(shí)要進(jìn)行測(cè)量與平差計(jì)算，通過(guò)測(cè)量計(jì)算獲得高精度的靶標(biāo)點(diǎn)位。測(cè)量過(guò)程中，對(duì)拼接標(biāo)靶與控制標(biāo)靶需要采用高分辨率進(jìn)行掃描，將靶標(biāo)中心點(diǎn)準(zhǔn)確提取出來(lái)。測(cè)量過(guò)程中采用全站儀測(cè)量平面靶標(biāo)得到坐標(biāo)信息。為了避免在測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)靶標(biāo)丟失、挪動(dòng)等情況，工作人員需在完成一站掃描工作后就立即開(kāi)展靶標(biāo)測(cè)量，以保證最終測(cè)量結(jié)果的精準(zhǔn)性。測(cè)量時(shí)運(yùn)用地面三維激光掃描儀進(jìn)行掃描作業(yè)，根據(jù)所需目標(biāo)點(diǎn)的點(diǎn)云密集程度設(shè)置相應(yīng)的掃描分辨率[4]。

在運(yùn)用三維激光掃描儀采集到各原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理才能提高其精確度，并將其應(yīng)用到具體的工程中。數(shù)據(jù)處理分兩個(gè)階段進(jìn)行：第一階段是數(shù)據(jù)預(yù)處理，通過(guò)預(yù)處理將表面噪聲減去并將點(diǎn)云的數(shù)據(jù)量進(jìn)行縮減，有效提高數(shù)據(jù)精度；第二階段是進(jìn)行多視點(diǎn)云拼接，在這一階段主要是將2個(gè)或2個(gè)以上基于掃描儀坐標(biāo)系中的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到統(tǒng)一坐標(biāo)系下，得到比較完整的數(shù)據(jù)，然后再進(jìn)行旋轉(zhuǎn)對(duì)齊、粗差剔除以及多視拼接處理，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)精度。

完成以上操作后便開(kāi)始提取特征點(diǎn)，通過(guò)提取特征點(diǎn)來(lái)完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。地物地貌特征點(diǎn)的信息是通過(guò)手工在配準(zhǔn)好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取的，在實(shí)際的測(cè)量作業(yè)中可利用三維激光掃描的后處理軟件來(lái)提取。

3 竣工圖紙測(cè)繪

在一些新建工程、擴(kuò)改建工程中，經(jīng)常需要開(kāi)展竣工圖紙測(cè)量，通過(guò)測(cè)量掌握建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)、場(chǎng)地地形地物、建筑物平面與高程位置關(guān)系等各項(xiàng)信息，最終形成詳細(xì)的工業(yè)竣工現(xiàn)狀圖與有關(guān)數(shù)據(jù)資料?？⒐D圖面內(nèi)容比較復(fù)雜，涉及多個(gè)方面。如竣工圖中首先要有建筑物、工業(yè)廠房的坐標(biāo)，各管線的高程、位置，房屋結(jié)構(gòu)面積、層數(shù)等各項(xiàng)信息；其次要有地埋管線的各項(xiàng)信息，包括管線名稱、用途、材質(zhì)、規(guī)格、尺寸、走向，以及井蓋編號(hào)、直徑、井底大小、溝槽寬度、深度與坡度等，以便為管線的運(yùn)維管理提供全面、具體的參考信息；還要有架空管線、交通線路、特種構(gòu)筑物的各項(xiàng)信息。

在運(yùn)用竣工圖測(cè)繪技術(shù)測(cè)量地下建筑物時(shí)，首先要利用竣工圖獲取所需特征點(diǎn)的坐標(biāo)、高程并繪制對(duì)應(yīng)的草圖，將其編輯成相應(yīng)格式的數(shù)據(jù)文件，然后將文件通過(guò)制圖軟件進(jìn)行處理，通過(guò)處理得到地下建筑物平面圖，之后再利用CAD等進(jìn)行三維建模，實(shí)現(xiàn)三維表達(dá)，最終得到地下建筑物三維數(shù)字地形圖。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，地下建筑物的三維表達(dá)具有一定優(yōu)勢(shì)，其能更形象、直觀、精細(xì)以及完整地表達(dá)地形、地物，將地表的高低起伏真實(shí)反映出來(lái)，將地下建筑物的平面位置信息、深度信息等準(zhǔn)確地反映出來(lái)，將地下空間地理信息直觀、具體以及形象地提供給相關(guān)規(guī)劃與管理人員以便其能更好地分析決策。