繆志修，劉 志，趙有兵

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

傳統(tǒng)的斷面采集效率、采集精度較低，不能快速響應(yīng)任意里程段的斷面數(shù)據(jù)，三維激光掃描儀可迅速獲取隧道的高精度完整點(diǎn)云，實(shí)現(xiàn)了1：1“實(shí)景復(fù)制”，測量高效、全面、精確和直觀，相比傳統(tǒng)方法具有更多優(yōu)勢。

本文結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，采用徠卡RTC360掃描儀對該隧道進(jìn)行掃描，并在采集點(diǎn)云的基礎(chǔ)上結(jié)合設(shè)計線位進(jìn)行斷面的采集。實(shí)踐結(jié)果表明，采用該技術(shù)能夠快速獲取隧道的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并采用配套的專業(yè)軟件，能夠快速提取線路任意里程處的斷面數(shù)據(jù)。

1 工程概況及掃描技術(shù)要求

成蘭鐵路（Chengdu-Lanzhou Railway）為中國中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃的重要組成部分，是一條連接四川省成都市和甘肅省蘭州市的鐵路。成都-蘭州鐵路設(shè)計時速200 km，全長573 km，是中國鐵路一類雙線電氣化快速鐵路，該項(xiàng)目為成蘭鐵路的楊家坪隧道，位于高川-茂縣區(qū)間，楊家坪隧道位于龍門山中央活動斷裂與龍門山后山活動斷裂之間，全長12 815 m。其中進(jìn)口至DK112+720段1 500 m為雙洞單線分修隧道，DK112+720～DK123+845段11 125 m為單洞雙線合修隧道，出口DK123+845～DK124+035段190 m茂縣車站伸入隧道，為三線車站大跨隧道。本隧道線路縱坡為單面上坡，最大埋深745 m。

本次隧道三維激光掃描里程范圍為DK113+395~DK121+07。本隧道已經(jīng)完成了洞內(nèi)二等導(dǎo)線的測量，導(dǎo)線布設(shè)方法為每隔300～400 m在隧道內(nèi)兩側(cè)布設(shè)1對CPⅡ點(diǎn)。由于在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時需要三維坐標(biāo)點(diǎn)，因此采用水準(zhǔn)儀對每個導(dǎo)線點(diǎn)高程進(jìn)行了測量。為了提高拼接精度，本次掃描采用的拼接方式為每段導(dǎo)線點(diǎn)之間的范圍內(nèi)進(jìn)行坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。同時，由于該掃描儀的掃描標(biāo)靶的精度受距離的影響，離測站距離越遠(yuǎn)，標(biāo)靶擬合的精度越低，因此本項(xiàng)目最后確定的標(biāo)靶距離為30 m處，布設(shè)4個標(biāo)靶。

2 基于RTC360隧道點(diǎn)云獲取技術(shù)

RTC360是瑞士徠卡公司推出的一款短距離地面三維激光掃描儀，該掃描儀的工作溫度為-5~40℃之間，測距距離為0.5~130 m。掃描范圍水平為360×60°，即水平360°，垂直方向?yàn)?300~300°。

該款掃描儀具有高性能、中型尺寸、輕量化的特點(diǎn)，主要用于高密度三維點(diǎn)云和高分辨率全景照片的現(xiàn)實(shí)捕捉，單站作業(yè)時間短，即掃即走，減少掃描等待時間。同時，該掃描儀集成多種傳感器，基于IMU的傾斜補(bǔ)償，掃描無需整平，支持不同角度掃描，外業(yè)測量任務(wù)更簡單。該掃描儀掃描速度可以達(dá)到200萬點(diǎn)/s，點(diǎn)位精度高達(dá)1.9 mm，測角精度18"，測距精度達(dá)到1 mm+10 ppm。

2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)獲取流程

數(shù)據(jù)的采集過程可分為：現(xiàn)場踏勘、標(biāo)靶布設(shè)和激光掃描3個部分。

2.1.1 現(xiàn)場踏勘

在地面三維激光掃描中，掃描站點(diǎn)布設(shè)的優(yōu)劣直接影響項(xiàng)目的工期和成本以及后期數(shù)據(jù)處理的進(jìn)度。因此，在地面激光掃描中需要進(jìn)行站點(diǎn)的規(guī)劃布設(shè)，站點(diǎn)布設(shè)的原則如下：

（1）確保在各掃描位置獲得的數(shù)據(jù)能夠覆蓋完整的掃描區(qū)域。

（2）在得到完整數(shù)據(jù)的前提下，應(yīng)盡量選擇較少的掃描站數(shù)，以減少搬站次數(shù)。

（3）相鄰測站之間必須至少布設(shè)4個控制點(diǎn)標(biāo)靶，并保證這些標(biāo)靶能在相鄰兩站掃描中可視。

（4）確保布設(shè)的標(biāo)靶在掃描過程中不被遮擋。

2.1.2 標(biāo)靶布設(shè)

由于受限于隧道內(nèi)的光線，采用RTC360三維激光掃描儀時，全景照片獲取的效果較差，因此在外業(yè)掃描時，為了提高工作效率，關(guān)閉了全景相片獲取的功能。

根據(jù)踏勘時制定的掃描方案、現(xiàn)場環(huán)境和通視情況布設(shè)標(biāo)靶。由于后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理中需要根據(jù)標(biāo)靶進(jìn)行掃描站之間的拼接、掃描站坐標(biāo)系與工程獨(dú)立坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以標(biāo)靶應(yīng)盡量在掃描范圍內(nèi)均勻布設(shè)，起到控制作用，減小誤差。當(dāng)掃描需要多站時，連續(xù)兩站之間應(yīng)該有至少3個公共標(biāo)靶（為了提高拼接精度，應(yīng)多布設(shè)4個以上公共標(biāo)靶），同時這4個標(biāo)靶的布設(shè)不能在1條線上，盡量構(gòu)成大地四邊形形狀，以提高拼接精度，現(xiàn)場標(biāo)靶的布設(shè)示意圖如圖1所示。

圖1 標(biāo)靶布設(shè)示意圖

2.1.3 激光掃描

確定好標(biāo)靶布設(shè)位置后，就可以采用RTC360三維激光掃描儀進(jìn)行掃描，其提供了幾種掃描方法，為了能夠更好地獲取得到標(biāo)靶的中心坐標(biāo)，本次掃描采用最高密度的點(diǎn)云進(jìn)行掃描。單站點(diǎn)云掃描如圖2所示。

圖2 點(diǎn)云掃描效果圖

2.2 掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)拼接

2.2.1 冗余數(shù)據(jù)的裁剪

由于受標(biāo)靶以及點(diǎn)云密度的影響，距離掃描儀越遠(yuǎn)處，點(diǎn)云精度及密度越差，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接前，將冗余的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，減少數(shù)據(jù)量。本項(xiàng)目只保留了掃描儀測站前后35 m的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，圖3為裁剪后的單站數(shù)據(jù)。

圖3 點(diǎn)云裁剪后的效果圖

2.2.2 數(shù)據(jù)拼接原理

激光掃描時，每一掃描站點(diǎn)數(shù)據(jù)都有自己的坐標(biāo)系統(tǒng)，為了能將各站點(diǎn)的坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一到一個坐標(biāo)系統(tǒng)下，就需要各站掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和配準(zhǔn)。

目前點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)主要有兩種方法：第一種主要是利用高精度的測量設(shè)備，如全站儀來獲取多站點(diǎn)云之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。這種配準(zhǔn)的原理是在掃描物體的周圍布設(shè)至少3個控制標(biāo)靶，并且掃描儀在掃描時能夠自動掃描到控制標(biāo)靶；同時采用全站儀測量出控制標(biāo)靶的中心坐標(biāo)。通過這2組數(shù)據(jù)（即掃描儀掃描的標(biāo)靶擬合的中心點(diǎn)和全站儀測量的標(biāo)靶數(shù)據(jù)中心點(diǎn)坐標(biāo)）就能計算出轉(zhuǎn)換關(guān)系的參數(shù)，即基于地理坐標(biāo)的拼接方法。

另一種是利用三維激光掃描儀所獲取的地物特征來計算各掃描站之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。這種方法是在采集后，通過選取明顯的公共特征點(diǎn)（如本項(xiàng)目中布設(shè)的特制標(biāo)靶）作為匹配的目標(biāo)，至少尋找3對公共特征點(diǎn)來計算出轉(zhuǎn)換關(guān)系的參數(shù)，即基于同名點(diǎn)的拼接方法。對于要求高精度的項(xiàng)目推薦使用全站儀測量標(biāo)靶中心坐標(biāo)的方式進(jìn)行拼接。

本次掃描采用2種方法相結(jié)合的方式進(jìn)行，即2段導(dǎo)線點(diǎn)之間的測站采用布設(shè)的公共標(biāo)靶的方式進(jìn)行拼接，每個測段一般控制在9站左右。待該測段內(nèi)9站數(shù)據(jù)拼好后，再采用前后4個導(dǎo)線的坐標(biāo)，將掃描儀測站坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到工程獨(dú)立坐標(biāo)系下。

2.2.3 數(shù)據(jù)拼接方法

本項(xiàng)目的掃描數(shù)據(jù)拼接在徠卡cyclone軟件下進(jìn)行，具體流程如下：

執(zhí)行Create＞Registration。數(shù)據(jù)庫列表中將會出現(xiàn)一個帶有標(biāo)靶符號的圖標(biāo)，添加需要拼接的站點(diǎn)文件和控制點(diǎn)文件。如果標(biāo)靶和控制點(diǎn)能一一對應(yīng)上，這一步不會彈出任何錯誤警告，否則需要檢查標(biāo)靶名稱和控制點(diǎn)名稱是否有誤、掃描站點(diǎn)是否缺少標(biāo)靶。設(shè)置homescanword，一般把控制點(diǎn)文件作為參考。然后選擇Constriant List，在Registraion中選擇Register，查看轉(zhuǎn)換誤差，一般該誤差在3 mm左右。

在Registraion窗口下依次選擇Create scanwod/Freeze Registration。這一步的目的是鎖定住當(dāng)前拼接關(guān)系，并打開拼接好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。到此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工作完成。圖4為兩站數(shù)據(jù)重疊部分拼接后的點(diǎn)云斷面圖（不同顏色代表不同的測站數(shù)據(jù)）

圖4 兩站點(diǎn)云拼接后圖

拼接完成后可以通過控制點(diǎn)列表查看站點(diǎn)拼接的精度，圖5為站點(diǎn)間拼接后的精度指標(biāo)。

圖5 拼接精度列表

從圖5和圖6可以看出，本次站點(diǎn)之間的拼接精度較高，滿足測量規(guī)范中的要求。

圖6 兩測站搭接數(shù)據(jù)的拼接后斷面圖

3 基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的斷面提取

隧道斷面點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接及噪點(diǎn)處理后，就可以結(jié)合設(shè)計線位進(jìn)行斷面的提取。本次隧道斷面的采集采用徠卡本地化軟件，在徠卡隧道變形監(jiān)測系統(tǒng)軟件中進(jìn)行。具體方法如下：

（1）打開HDS程序，在設(shè)計數(shù)據(jù)處導(dǎo)入設(shè)計軸線，如圖7、圖8所示。

圖7 導(dǎo)入設(shè)計線位

圖8 設(shè)計線位顯示

（2）在參考測期窗口處選擇導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖9、圖10所示，此時要保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的路徑是英文路徑。

圖9 加載點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖10 疊加點(diǎn)云和線位效果圖

（3）導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，在參考測期處選擇生成橫斷面（選擇點(diǎn)云數(shù)據(jù)的起始和終止里程及其他參數(shù)，如圖11所示。

圖11 采集斷面參數(shù)設(shè)置

（4）在工具中選擇隧道凈空設(shè)置選項(xiàng)，輸入凈空的計算參數(shù)，如圖12-圖14所示。

圖12 隧道凈空設(shè)置

圖14 采集得到斷面圖

（5）在左側(cè)選項(xiàng)卡中全選所有生成的橫斷面，在工具中選擇隧道凈空計算，如圖15所示。

同時該軟件還可以導(dǎo)出斷面的Excel數(shù)據(jù)。通過上述步驟，得到隧道三維掃描凈空成果，及斷面掃描成果，可在下一步施工中作為參考資料。

4 結(jié)束語

三維激光掃描技術(shù)具有很強(qiáng)的工程適用性，在隧道斷面采集方面，三維激光掃描技術(shù)具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義，有著巨大的應(yīng)用潛力。傳統(tǒng)的斷面采集方法費(fèi)時、費(fèi)力，同時在某些情況下還難以獲取令人滿意的結(jié)果。將三維激光掃描技術(shù)引入到隧道工程領(lǐng)域，對隧道的斷面采集以及凈空分析方面有著傳統(tǒng)測量方法難以比擬的優(yōu)勢。另外，這種新技術(shù)的引入大大降低了調(diào)查人員的勞動強(qiáng)度，提高了工作效率。通過本次實(shí)驗(yàn)，可以得出，采用RTC360掃描儀對隧道進(jìn)行掃描，能夠滿足隧道凈空三維激光掃描對測量精度的要求。

圖13 斷面參數(shù)設(shè)置圖

圖15 隧道凈空分析圖