施秋劼
(北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,北京 100101)
目前,三維激光掃描技術(shù)發(fā)展速度比較快,所涉及的應(yīng)用學(xué)科比較多,有著較強(qiáng)的學(xué)科應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。但是傳統(tǒng)的工程測(cè)繪技術(shù)相比,三維激光掃描技術(shù)在工作模式上有著一定的差異性,該技術(shù)的應(yīng)用能夠完成大規(guī)模范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集,進(jìn)而獲得三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù),提升測(cè)量的精準(zhǔn)性。三維激光掃描技術(shù)是掃描儀通過發(fā)射高頻激光脈沖,測(cè)量每個(gè)激光脈沖從發(fā)出經(jīng)被測(cè)物體表面返回儀器所需的時(shí)間差來計(jì)算距離S,同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖橫向角度值α 及縱向角度觀測(cè)值θ,以儀器中心為坐標(biāo)原點(diǎn),按下式可計(jì)算出采樣點(diǎn)的三維坐標(biāo):
在運(yùn)用該技術(shù)的過程中,在考慮測(cè)量點(diǎn)三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性時(shí),工作人員要先明確測(cè)量點(diǎn)至設(shè)備之間的實(shí)際距離,同時(shí)還要注意,在對(duì)相同的測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行不同方式的測(cè)距時(shí)存在不同的精度。因此,工作人員務(wù)必要深入探析該技術(shù)的系統(tǒng)原理,以便優(yōu)化選擇最適合的測(cè)距方式,有效提升設(shè)備測(cè)量精準(zhǔn)度。
通常情況下,三維激光掃描技術(shù)是利用直線數(shù)據(jù)采集方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,具備一定的次序關(guān)系。通過掃描獲得云數(shù)據(jù)構(gòu)成像素點(diǎn),具體的排列方式主要是根據(jù)矩陣的方式進(jìn)行依次排列。在市政道路工程中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù),既能夠獲得目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的相關(guān)信號(hào),同時(shí)還能夠獲取相關(guān)的激光反射強(qiáng)度信息、顏色信息以及空間坐標(biāo)等,以此明確更加精確的掃描數(shù)據(jù)。一般情況下,數(shù)據(jù)是通過保存為純文本TXT的格式進(jìn)行儲(chǔ)存的,該技術(shù)的應(yīng)用能夠在獲取相關(guān)空間數(shù)據(jù)時(shí)體現(xiàn)出密度高、數(shù)據(jù)量大以及立體化的特點(diǎn)。除此以外,工作人員應(yīng)建立三維數(shù)字模型,經(jīng)過相關(guān)的數(shù)字處理評(píng)估流程,充分發(fā)揮在數(shù)據(jù)采集工作中的應(yīng)用價(jià)值。
現(xiàn)如今,三維激光掃描技術(shù)廣泛應(yīng)用于道路工程地形圖測(cè)繪中,在開展道路工程測(cè)繪工作的過程中常常受到一些條件的限制,包括交通復(fù)雜、車流和人流眾多等,盡管測(cè)繪人員能夠在實(shí)地開展測(cè)繪工作,但事實(shí)上對(duì)于自身安全有著極大的隱患。而三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用能夠代替人工實(shí)地測(cè)繪,高效地完成道路地形的測(cè)量以及繪制工作,此舉對(duì)于減輕人工的壓力,降低人工成本有著重要
意義。道路工程地形圖測(cè)繪中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用主要可以分為三個(gè)步驟,首先是用三維激光掃描進(jìn)行測(cè)量,進(jìn)而獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù),其次是針對(duì)數(shù)據(jù)開展相應(yīng)的處理工作,最后便是將地貌提取出來,便能夠獲得較為精確的地形圖。
三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用能夠助力道路工程等高線的生成,主要便是在原有的地形圖上去除掉一些無關(guān)緊要的建筑以及植被等地物。以往在獲取道路工程等高線的過程中,通常都是采用自動(dòng)以及人為的方式將無關(guān)地物除去,進(jìn)而得到相應(yīng)的地貌圖,在完成數(shù)據(jù)計(jì)算工作之后,上傳以及處理,周而復(fù)始,便可最終在構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)的基礎(chǔ)上獲得相應(yīng)的等高線。三維激光技術(shù)相比上述傳統(tǒng)的等高線獲取方法具有更多的優(yōu)勢(shì),包括精準(zhǔn)度更高、工作量更少,所得出的地形地貌更加清晰。
土方工程中目前最常用的測(cè)量方式就是三維激光掃描技術(shù)。之前常用的測(cè)量方式有全站儀、GPS 等等,通過這些技術(shù)獲取目標(biāo)地面高程的差異信息,從而通過數(shù)據(jù)建立TIN 模型,最終計(jì)算出土方量。采用這些傳統(tǒng)的技術(shù)采取的數(shù)據(jù)精確度低,而消耗時(shí)間長(zhǎng),實(shí)際采樣的間隔大。然而三維激光技術(shù)的應(yīng)用,能夠使得數(shù)據(jù)精確度高,時(shí)間少,工作效率大大提升,保證土方工程的計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。測(cè)量過程中,首先需要構(gòu)建基準(zhǔn)面,使工程項(xiàng)目的坐標(biāo)系與真實(shí)數(shù)據(jù)相匹配,從而構(gòu)建好三角網(wǎng)模型,與基準(zhǔn)模型相減,最終得到土方量的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術(shù)在土方工程計(jì)算中發(fā)揮著重要的作用,能夠打破傳統(tǒng)的測(cè)量方式,避免出現(xiàn)錯(cuò)誤,從而大大提升工程項(xiàng)目建設(shè)的效率,還能降低成本,為建設(shè)工程帶來經(jīng)濟(jì)效益,這是我國(guó)土方工程中的一重大突破性進(jìn)展。
將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于道路變形監(jiān)測(cè)中,能夠構(gòu)建起更加系統(tǒng)的道路三維數(shù)據(jù)模型,針對(duì)整個(gè)道路開展周期性掃描工作,進(jìn)而獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù),同時(shí)通過設(shè)備內(nèi)部處理器的應(yīng)用,將相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagicstudio 內(nèi),可以建立起更加具體的三維數(shù)據(jù)模型,高效開展數(shù)據(jù)采集、處理以及評(píng)估等工作。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的過程中,將三維激光技術(shù)設(shè)備安置在所要勘測(cè)道路的周圍,確保測(cè)量視野的開闊性,在道路周圍設(shè)置六個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理過程中,工作人員主要從以下三方面入手,首先對(duì)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接和糾正,其次是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波過程,最后是數(shù)據(jù)的縮減過程。針對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)開展與處理的工作中,大多是運(yùn)用人工的手段刪除多余的測(cè)量點(diǎn),然后需要分析點(diǎn)云數(shù)據(jù)的誤差,依據(jù)誤差理論展開探究。
三維激光掃描技術(shù)還應(yīng)用到了文物保護(hù)工作中,它能在不觸碰文物的情況下進(jìn)行測(cè)量,從中獲取相關(guān)的云數(shù)據(jù),根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)模型,構(gòu)建出精確三維形狀,還原文物的基本特征和文物的紋理特點(diǎn),為文物的保護(hù)起到重要的作用。
深圳市城市軌道交通14 號(hào)線沙湖站位于坪山大道與榮昌路交叉口,沿坪山大道東西方向布置,為地下雙層島式曲線車站,與規(guī)劃地鐵19 號(hào)線通道換乘。車站主體長(zhǎng)288m,中心里程為DK38+122.358,車站有效站臺(tái)長(zhǎng)度186m,車站左線線路中心線半徑為1500m,車站范圍內(nèi)頂板現(xiàn)狀覆土厚度為2.9~3.2m。車站主體結(jié)構(gòu)采用明挖法施工,主體基坑外圍周長(zhǎng)638.781m,基坑深度為17.55m~19.16m,標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬度為21.83m,盾構(gòu)段基坑寬度為26.6m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1000mm@750mm 鉆孔咬合樁,設(shè)置三道支撐,采用坑內(nèi)降水方案。
沙湖站車站主體長(zhǎng)288m,測(cè)量作業(yè)前收集了地下控制點(diǎn)數(shù)據(jù)等資料。為保證測(cè)站拼接的準(zhǔn)確性,使相鄰測(cè)站保持一定的影像重疊度,根據(jù)隧道環(huán)境和地下控制點(diǎn)分布情況預(yù)計(jì)共需測(cè)量52 站、使用了黑白平面標(biāo)靶24個(gè)。
三維激光掃描遵循相鄰測(cè)站使用不低于3 個(gè)公共靶球連接的形式,用全站儀獲取黑白平面標(biāo)靶中心的坐標(biāo)后進(jìn)行絕對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。本次掃描按每站小于30m 實(shí)施,黑白平面標(biāo)靶距離掃描儀均小于15m。掃描時(shí)靶球和平面標(biāo)靶均保持靜止。
本次掃描共完成52 站,設(shè)置平面標(biāo)靶24 個(gè),共獲取31GB 外業(yè)數(shù)據(jù)。利用公共靶球的高對(duì)比度的特性實(shí)現(xiàn)掃描影像的定位以及掃描和影像之間的匹配,選取靶球作為拼接的公共參照點(diǎn),利用TrimbleRealWorks 中的自提目標(biāo)配準(zhǔn)功能并結(jié)合手動(dòng)目標(biāo)分析器功能利用相鄰測(cè)站的公共靶球進(jìn)行測(cè)站配準(zhǔn)拼接,使相鄰點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一相對(duì)坐標(biāo)系下;測(cè)站拼接完成后導(dǎo)入全站儀獲取的平面標(biāo)靶中心坐標(biāo),以平面標(biāo)靶中心坐標(biāo)為基準(zhǔn)將獲取的全部點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一至絕對(duì)坐標(biāo)系中;經(jīng)檢查,各測(cè)站最大配準(zhǔn)殘差為3.16mm,總體殘差為2.33mm,滿足本次測(cè)量的要求。因受測(cè)站周邊環(huán)境影響,所獲取的點(diǎn)云存在與反射面有關(guān)的干擾數(shù)據(jù),影響后續(xù)的斷面切片擬合的精度。利用TrimbleRealWorks的點(diǎn)云分割工具對(duì)點(diǎn)云噪點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記分類并剔除,提取屬性相同且臨近隧道壁的點(diǎn)云后進(jìn)行要素分離和要素識(shí)別,然后作為下一步處理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。為降低工作站數(shù)據(jù)處理的負(fù)載,優(yōu)化數(shù)據(jù)處理的進(jìn)度,對(duì)本次獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)按50%的比例進(jìn)行取樣抽稀后滿足后續(xù)獲取該區(qū)間任意截面數(shù)據(jù)的要求。
以錄入的曲線參數(shù)為依據(jù),從相鄰環(huán)片拼接處提取點(diǎn)云切片數(shù)據(jù),間距為1.5m,共提取1615 個(gè)切片數(shù)據(jù)。點(diǎn)云斷面切片數(shù)據(jù)提取完成后,對(duì)已提取的切片進(jìn)行擬合,從而得到各擬合點(diǎn)至線路中線的橫距及隧道頂?shù)赘叱绦畔?,同時(shí)可獲取隧道中線的逐樁坐標(biāo)值。擬合完成后逐步輸出設(shè)備限界、管片錯(cuò)臺(tái)、滲漏水等數(shù)據(jù)。
廣州地鐵18 號(hào)線是廣州首條時(shí)速160 公里的市域快線,整列車采用8節(jié)編組D 型車。設(shè)備限界位于車輛限界外的一個(gè)輪廓線,是用以限制設(shè)備安裝的控制線。限界的基準(zhǔn)坐標(biāo)系:垂直于直線軌道線路中心線的二維平面直角坐標(biāo),橫坐標(biāo)軸(X 軸)與設(shè)計(jì)軌頂平面相切,縱坐標(biāo)軸(Y 軸)垂直于軌頂平面,該基準(zhǔn)坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)為軌距中線點(diǎn)。
將D 型車限界信息輸入數(shù)據(jù)處理平臺(tái),經(jīng)軟件自動(dòng)分析萬橫區(qū)間右線各環(huán)限界值,共計(jì)形成1615 個(gè)限界信息數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)緊張限界最小值。
盾構(gòu)法施工小曲率半徑隧道時(shí),掘進(jìn)施工軸線控制較難,很容易造成盾構(gòu)偏離軸線以及糾偏困難等問題,影響隧道施工速度及管片拼裝及隧道結(jié)構(gòu)質(zhì)量。在盾構(gòu)施工中,盾構(gòu)管片是盾構(gòu)施工的主要裝配構(gòu)件,是隧道的最外層屏障,承擔(dān)著抵抗土層壓力、地下水壓力以及一些特殊荷載的作用。盾構(gòu)管片質(zhì)量直接關(guān)系到隧道的整體質(zhì)量和安全,影響隧道的防水性能及耐久性能。此類問題會(huì)影響隧道走向、凈空,還會(huì)引起管片破裂并破壞管片結(jié)構(gòu),從而給隧道的防水帶來隱患。
將預(yù)處理后的點(diǎn)云切片數(shù)據(jù)輸入至數(shù)據(jù)處理平臺(tái),將隧道截面等分150 份,自動(dòng)采集相鄰管片銜接處的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并自動(dòng)判斷至隧道中線的距離,通過判斷距離差值得出管片錯(cuò)臺(tái)數(shù)據(jù)。萬橫區(qū)間右線獲取共計(jì)1615環(huán)的管片錯(cuò)臺(tái)數(shù)據(jù)。
隧道的滲漏水會(huì)導(dǎo)致混凝土的襯砌風(fēng)化以及剝蝕,襯砌的結(jié)構(gòu)會(huì)受到一定程度的影響;隧道的滲漏水會(huì)直接軟化圍巖,圍巖因此變形;部分的隧道所滲出的水中含有侵蝕性,一般的襯砌混凝土以及砌筑砂漿都會(huì)因此受到相對(duì)程度的腐蝕和損害,襯砌的承受能力大幅度的降低;隧道的滲漏水會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部潮濕,影響內(nèi)部的使用設(shè)備,包括通訊、照明、鋼軌等設(shè)備的正常使用,內(nèi)部潮濕會(huì)降低內(nèi)部區(qū)線路的使用壽命,這樣一來就會(huì)增長(zhǎng)維修的費(fèi)用。
將獲取的全部點(diǎn)云數(shù)據(jù)形成灰度圖像,對(duì)于明暗差異較大疑似滲漏水的區(qū)域進(jìn)行系統(tǒng)自動(dòng)判斷結(jié)合人工識(shí)別的方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并量測(cè)滲漏水發(fā)生的區(qū)域及面積。經(jīng)統(tǒng)計(jì)萬橫區(qū)間右線共有13 處存在滲漏水情況,滲漏發(fā)生面積0.11 m2~10.24 m2不等。
結(jié)語:總之,三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用前景廣闊,是信息化施工的一個(gè)方向,同時(shí)也是控制成本的一個(gè)新技術(shù)。三維激光掃描技術(shù)憑借更加便捷、精度高以及準(zhǔn)確性強(qiáng)等特點(diǎn),對(duì)于道路工程測(cè)繪等各方面工作的高效完成有著積極的促進(jìn)作用。因此,有關(guān)人員要加強(qiáng)對(duì)該技術(shù)的重視程度,加強(qiáng)在道路工程中的應(yīng)用,以推動(dòng)我國(guó)道路工程的現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程。