關(guān)為民

（中鐵十六局集團(tuán)有限公司 北京 100018）

1 引言

在工程施工測(cè)繪領(lǐng)域，三維激光掃描技術(shù)是繼GPS技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命。該技術(shù)是通過掃描采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)處理分析后獲取高精度、高分辨率的數(shù)字模型，進(jìn)而利用生成的成果進(jìn)行后續(xù)工作的綜合技術(shù)，是快速創(chuàng)建三維影像模型的全新技術(shù)手段，使工程施工大數(shù)據(jù)應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。

2 工程概況

某高速鐵路項(xiàng)目含長(zhǎng)度超過10 km的隧道兩座，沿線地形地貌多變，工程地質(zhì)和水文條件復(fù)雜。為提升施工管控效率，保障和提高施工質(zhì)量，在隧道施工中使用三維激光掃描技術(shù)，用于隧道開挖、初期支護(hù)及二次襯砌的斷面檢測(cè)及收斂監(jiān)測(cè)。

3 三維激光掃描技術(shù)

3.1 應(yīng)用內(nèi)容

（1）隧道超欠挖檢測(cè)分析；（2）噴錨層平整度檢測(cè)分析；（3）斷面收斂監(jiān)測(cè)分析；（4）隧道模型構(gòu)建應(yīng)用。

3.2 系統(tǒng)組成

（1）硬件配置：能輸出*.pts／ptx格式數(shù)據(jù)的三維激光掃描儀；電腦（配置4G獨(dú)顯、16G／32G內(nèi)存）；平板電腦（內(nèi)存16G以上）。

（2）軟件配置：電腦端和云平臺(tái)軟件。

3.3 工作原理

采用激光測(cè)距原理，快速獲取待測(cè)物表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)（x，y，z）、反射率等信息，由大量點(diǎn)信息形成三維效果模型［1］。通過發(fā)射激光脈沖，同時(shí)接收反射信號(hào)，測(cè)量斜距S、垂直角α和水平角β，計(jì)算可得掃描點(diǎn)與測(cè)站的空間相對(duì)坐標(biāo)（見圖1），計(jì)算公式：

圖1 掃描點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算原理

式中：S為掃描儀激光中心點(diǎn)到掃描點(diǎn)的斜距；α為豎直角；β為水平角。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方案

激光掃描測(cè)量分為三個(gè)階段：外業(yè)（掃描測(cè)量）、內(nèi)業(yè)（數(shù)據(jù)處理）、檢測(cè)成果輸出。

4.1 工藝流程

三維激光掃描操作流程見圖2。

圖2 三維激光掃描操作工藝流程

4.2 測(cè)量實(shí)施方案

4.2.1 外業(yè)操作

激光掃描儀布置在中心軸線附近，在掃描儀前0.6～5 m內(nèi)呈不規(guī)則三角形擺設(shè)3個(gè)球棱鏡，放置于寬敞通視處，且每個(gè)球棱鏡間距離不大于5 m，并保持棱鏡面朝向全站儀，反光面朝向掃描儀，見圖3。球棱鏡架設(shè)完成后用全站儀測(cè)量棱鏡坐標(biāo)（此時(shí)棱鏡常數(shù)和棱鏡桿高度均調(diào)為零），保持球棱鏡不動(dòng)直至掃描完畢。測(cè)站間距小于30 m。

圖3 掃描儀測(cè)量布置

現(xiàn)場(chǎng)要保證掃描范圍內(nèi)無干擾物，并嚴(yán)禁車輛和行人通過，避免影響掃描范圍和精度。同時(shí)為減少全站儀因素造成的系統(tǒng)誤差，數(shù)據(jù)采集過程使用同一臺(tái)全站儀，由同一組測(cè)量人員完成操作，過程中確保全站儀的穩(wěn)定性。

4.2.2 內(nèi)業(yè)處理

（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接

通過計(jì)算坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，采取平移或旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的方式，將現(xiàn)場(chǎng)掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一拼接到一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)［2］。

拼接方法：一是基于標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換進(jìn)行拼接；二是基于計(jì)算標(biāo)記點(diǎn)數(shù)據(jù)間的拼接參數(shù)進(jìn)行拼接；三是基于點(diǎn)信息、幾何特征信息、動(dòng)態(tài)和影像拼接算法綜合處理后進(jìn)行拼接［3］。

現(xiàn)場(chǎng)基于標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)采用掃描儀配套專用軟件完成數(shù)據(jù)拼接。首先輸入設(shè)計(jì)線路及斷面參數(shù)，導(dǎo)入掃描儀測(cè)量的數(shù)據(jù)，進(jìn)行靶球提取后輸入靶球坐標(biāo)，完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；然后，計(jì)算線路坐標(biāo)，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，裁掉多余斷面數(shù)據(jù)。

（2）成果數(shù)據(jù)處理

整體侵限分析后，根據(jù)實(shí)測(cè)超欠挖情況進(jìn)行斷面去噪處理，去除隧道整體輪廓多余部分，保留合格數(shù)據(jù)，形成隧道整體輪廓并導(dǎo)出數(shù)據(jù)成果［4］，見圖4。

圖4 隧道整體輪廓分析成果

4.3 成果輸出

數(shù)據(jù)處理完成后，可輸出三維效果圖及各類檢測(cè)結(jié)果報(bào)告、報(bào)表，直觀地反映隧道超欠挖、平整度及斷面侵限、收斂等情況。

超欠挖分析三維效果圖可實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道開挖的綜合評(píng)價(jià)，用冷暖色對(duì)超欠挖情況進(jìn)行立體展示，暖色代表欠挖，冷色代表超挖［5］，見圖5。

圖5 超欠挖分析三維效果及展開圖

沿線路法線方向生成的隧道斷面超欠挖分析報(bào)表，最小斷面間距可達(dá)0.01 m，能顯示斷面詳細(xì)信息，見圖6。通過自動(dòng)搜索功能準(zhǔn)確定位欠挖部位，便于現(xiàn)場(chǎng)精確處理?？筛鶕?jù)隧道斷面信息，適當(dāng)調(diào)整施工方法、工藝及預(yù)留沉降量等，做到動(dòng)態(tài)控制［6］。

圖6 系統(tǒng)生成的單斷面超欠挖分析報(bào)表截圖

在快速識(shí)別超欠挖的同時(shí)，可用于計(jì)算初支、二襯混凝土用量，有利于材料超耗原因分析。

4.3.2 平整度檢測(cè)

高速鐵路對(duì)初支平整度要求較高，掃描成果可將整條隧道表面影像圖展開，用不同顏色直觀展現(xiàn)隧道表面平整度［7］，見圖7。黃色區(qū)域的平整度指數(shù)大于0.1（相當(dāng)于采用1 m靠尺測(cè)量隧道表面所得到的最大凹凸不平度超過10 cm），桔紅色到紅色區(qū)域平整度指數(shù)為0.2～0.3。據(jù)此可知：整個(gè)區(qū)間段的邊墻底部平整度較差。

圖7 隧道初支平整度影像

4.3.3 斷面檢測(cè)（侵限控制、收斂監(jiān)測(cè)）

初支侵限控制：拱頂下沉和圍巖收斂穩(wěn)定后，及時(shí)進(jìn)行初支斷面掃描測(cè)量。應(yīng)用其完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立三維模型，繪制橫縱斷面圖，檢驗(yàn)隧道初支斷面凈空［8］。

斷面收斂監(jiān)測(cè)：將掃描儀置于同一測(cè)站進(jìn)行多次掃描，通過在同一里程分別截取掃描斷面，以首次掃描斷面作為理論斷面，對(duì)比斷面間的投影距離，從而確定斷面收斂數(shù)據(jù)，見圖8。分析數(shù)據(jù)結(jié)果可知，在同一個(gè)測(cè)站上設(shè)站，監(jiān)測(cè)同一個(gè)斷面的精度基本在1～2 mm之間。個(gè)別位置會(huì)存在較大誤差，究其原因：（1）因兩次掃描點(diǎn)位置隨機(jī)，不可能完全一致；（2）掃描過程產(chǎn)生噪點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集有輕微擾動(dòng)影響［9］；（3）隧道平整度指數(shù)較大，點(diǎn)云數(shù)據(jù)稀疏。

圖8 斷面收斂分析成果

為了排除誤差，可將分析斷面設(shè)在通風(fēng)管之上，分析其線性平均誤差。

選擇閥桿密封面與閥體底面的距離作為目標(biāo)參數(shù)，目標(biāo)參數(shù)在隨履帶運(yùn)動(dòng)時(shí)在不同時(shí)間位置對(duì)應(yīng)的數(shù)值如圖6所示。

線性平均誤差＝（超挖面積＋欠挖面積）／多段線長(zhǎng)度。

對(duì)于隧道圍巖表面起伏不嚴(yán)重的部位（平整度指數(shù)小于0.2），斷面監(jiān)測(cè)精度誤差可優(yōu)于2 mm，滿足精度要求。為進(jìn)一步提高精度，可將待測(cè)面劃分為若干小區(qū)，分塊采集高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析［9］，其精度優(yōu)于全站儀法、收斂計(jì)法等測(cè)量手段，但數(shù)據(jù)量極大，對(duì)設(shè)備性能要求很高，建議局部重點(diǎn)部位監(jiān)測(cè)可以考慮采用。

5 三維激光掃描儀誤差分析及誤差控制

三維激光掃描技術(shù)可適應(yīng)復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，為保障測(cè)量精度，通過多組掃描成果與全站儀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析具體應(yīng)用條件下誤差產(chǎn)生原因，并據(jù)之進(jìn)一步完善實(shí)施方案［10］。

5.1 現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比測(cè)量試驗(yàn)方案

選取具有代表性的初期支護(hù)段落20 m作為試驗(yàn)段，選取特征斷面3個(gè)，間距5 m，另設(shè)置特征標(biāo)靶點(diǎn)4個(gè)，間距5 m，對(duì)稱貼于待測(cè)段表面。

為對(duì)比分析掃描精度的影響因素，在不同測(cè)量條件下對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行3組掃描，其中第一組測(cè)量時(shí)空氣質(zhì)量較好，測(cè)量條件最好，第二組空氣質(zhì)量一般，第三組空氣質(zhì)量較差；后視標(biāo)靶球數(shù)量第一組4個(gè)，第二、三組2個(gè)。

測(cè)量步驟：全站儀測(cè)量特征標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)及特征斷面→全站儀測(cè)量標(biāo)靶球坐標(biāo)→三維激光掃描儀進(jìn)行掃描測(cè)量→全站儀復(fù)核測(cè)量。

5.2 兩種方法下的標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比

針對(duì)4個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)，同時(shí)掃描測(cè)量三組數(shù)據(jù)，因篇幅原因僅列舉2個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比（以全站儀測(cè)量結(jié)果為基準(zhǔn)），見表1。

表1 標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)比最大偏差值，第一組為5 mm，第二組為17 mm，第三組為26 mm。從數(shù)據(jù)對(duì)比分析看，第一組測(cè)量數(shù)據(jù)精確度最高。

5.3 兩種方法下的特征斷面結(jié)果對(duì)比

因斷面有效測(cè)點(diǎn)數(shù)較多，3個(gè)特征斷面對(duì)比數(shù)據(jù)量較大，僅列舉掃描斷面極大值、極小值和平均值。以全站儀測(cè)量結(jié)果為基準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，見表2。

表2 斷面測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

由表2數(shù)據(jù)可知，第一組掃描數(shù)據(jù)與全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)最為接近，精度最高。

5.4 誤差原因分析

通過數(shù)據(jù)對(duì)比，第一組測(cè)量后視約束點(diǎn)位多、測(cè)量條件好，測(cè)量精度最高，滿足規(guī)范及施工要求。導(dǎo)致誤差的原因主要有以下幾個(gè)方面：

（1）掃描儀自身精度誤差，尤其是標(biāo)靶球的定位精度誤差，會(huì)導(dǎo)致球棱鏡球面沒有完全對(duì)準(zhǔn)掃描儀，從而導(dǎo)致坐標(biāo)擬合的球心偏移產(chǎn)生誤差，屬于后視誤差，在掃描測(cè)量時(shí)會(huì)被放大。

（2）掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要經(jīng)全站儀測(cè)量的坐標(biāo)傳遞，存在兩個(gè)誤差源：一是受全站儀誤差影響，二是受測(cè)量誤差影響，尤其是測(cè)量中多為臨時(shí)控制點(diǎn)的原因［11］。

（3）外界環(huán)境因素引起的誤差，包括空氣環(huán)境、施工作業(yè)環(huán)境影響等，如空氣可見度、空氣中粒子含量等因素的影響及施工產(chǎn)生的振動(dòng)等外界因素影響。當(dāng)外界環(huán)境比較惡劣時(shí)對(duì)掃描測(cè)量精度影響較大［12］。

（4）分析軟件計(jì)算方法的差異產(chǎn)生的誤差（在對(duì)比試驗(yàn)中選用2套內(nèi)業(yè)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析對(duì)比），配套的軟件與硬件能有效減少誤差。

5.5 誤差控制措施

在現(xiàn)有技術(shù)條件下，為提升測(cè)量精度，可采取以下措施：

（1）限定掃描段落長(zhǎng)度，一般控制在20～30 m范圍，并定期采用常規(guī)方法對(duì)三維激光掃描儀測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核測(cè)量。

（2）做好三維激光掃描儀不定期檢查和定期檢測(cè)；選用高精度全站儀，減少全站儀測(cè)量中誤差傳遞；適當(dāng)增加后視標(biāo)靶球數(shù)量，不少于3個(gè)，提高后視精度［12］；內(nèi)業(yè)處理選用掃描儀配套軟件。

（3）重視外部環(huán)境（空氣質(zhì)量、溫度、濕度等）對(duì)測(cè)量精度的影響，并進(jìn)行有效控制，避開施工高峰期等極端條件下的掃描作業(yè)。

（4）強(qiáng)化操作管理，測(cè)量人員要經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)和經(jīng)驗(yàn)積累，固定專人測(cè)量，減少人員操作誤差。

6 結(jié)束語

通過成果對(duì)比，三維激光掃描儀的精度滿足隧道施工需求，其外業(yè)操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)采集速率可達(dá)數(shù)十萬點(diǎn)／s，單站測(cè)量時(shí)間小于3 min，傳統(tǒng)測(cè)量方式難以比擬，且一次測(cè)量可同時(shí)獲得用于隧道侵限、超欠挖、拱頂沉降、收斂變形等所需的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，工作效率高。采用三維激光掃描技術(shù)是控制隧道施工超欠挖、避免和減少超欠挖造成返工和混凝土超耗的有效措施，也是及時(shí)掌握圍巖收斂及斷面變形狀況和保證施工安全的可靠手段，已具備包括隧道在內(nèi)的施工和監(jiān)測(cè)領(lǐng)域廣泛推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)和條件。