呂國娟，王傳先，劉平利，張鴻祥

（1.河南省地質(zhì)科學(xué)研究所，河南 鄭州 450001；2.河南省城市地質(zhì)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450001；3.河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南 鄭州 450001）

20世紀(jì)70年代國內(nèi)很多城市都建設(shè)了一定數(shù)量的地下防空洞。這些防空洞內(nèi)部年久失修，存在洞壁破損、漏水、倒塌、淤埋等現(xiàn)象，不僅會威脅進(jìn)入防空洞工作人員的人身安全，還會對地表建筑、行人、行車安全產(chǎn)生隱患。因此，需要對地下防空洞進(jìn)行維修、灌漿等工程設(shè)計和施工。灌漿方數(shù)測量、維修面面積測量等是首先需要解決的問題，傳統(tǒng)測量采用全站儀斷面測量法。本文利用天寶SX10三維激光掃描儀進(jìn)行防空洞測量，并與傳統(tǒng)測量方法進(jìn)行了比較。人防工程建筑公司委托河南省地質(zhì)科學(xué)研究所進(jìn)行灌漿容積計算和防空洞內(nèi)部空間位置與形狀測量，涉及防空洞長度2.6 km，防空洞內(nèi)部支洞分布較多、淤埋較多。

1 傳統(tǒng)全站儀斷面測量法

1）導(dǎo)線測量。采用TOPCON型0.5″全站儀對預(yù)先埋設(shè)的圖根點(diǎn)進(jìn)行邊角測量，路線在防空洞兩端出口處與已知點(diǎn)附和形成附和路線，共設(shè)計圖根點(diǎn)9個，采用南方平差易進(jìn)行計算。

2）平面和斷面測量。利用全站儀在防空洞內(nèi)進(jìn)行碎步點(diǎn)測量，采集防空洞的特征點(diǎn)，繪制洞內(nèi)平面圖，掌握防空洞的走向、形狀；同時在防空洞空間大小突變和走向發(fā)生變化的位置進(jìn)行防空洞斷面測量，為容積計算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本次工作測量斷面15個[1]。

3）容積計算。根據(jù)所測斷面進(jìn)行斷面面積計算，把整個防空洞分割成若干個形態(tài)相對規(guī)則的形體進(jìn)行計算。由于防空洞內(nèi)部為人工設(shè)計，防空洞內(nèi)部形態(tài)較規(guī)則，面積計算相對簡單，可直接轉(zhuǎn)換成圓錐、圓柱或半圓柱體的體積計算，從而得到洞內(nèi)容積[2]。

2 天寶SX10三維激光掃描法

2.1 導(dǎo)線測量

由于天寶SX10三維激光掃描儀具有全站儀功能，且精度完全能滿足要求，因此本文采用天寶SX10三維激光掃描儀對預(yù)先埋設(shè)的圖根點(diǎn)進(jìn)行邊角測量，路線在防空洞兩端出口處與已知點(diǎn)附和形成附和路線，共設(shè)計圖根點(diǎn)9個，采用南方平差易進(jìn)行計算。

2.2 三維掃描

天寶SX10三維激光掃描儀具備高端全站儀功能和近景拍攝測量技術(shù)功能，可為測繪、工程、掃描等專業(yè)工作人員提供先進(jìn)的解決方案，在一定意義上重新定義了專業(yè)測量設(shè)備和作業(yè)方式。天寶SX10三維激光掃描儀能采集各種組合的高密度和高精度3D掃描成果數(shù)據(jù)、高精度全站儀數(shù)據(jù)，使得工作人員在控制測量時能獲得所需成果、在大量任務(wù)中節(jié)省時間和人力[3]。天寶的閃電3DM技術(shù)，使天寶SX10三維激光掃描儀能同時獲得高精度的全站儀測繪數(shù)據(jù)和精準(zhǔn)的高速度三維掃描影像，比以往更高效。系統(tǒng)設(shè)計的新技術(shù)，使天寶SX10三維激光掃描儀可提供更高精度、更大效益和更豐富的細(xì)節(jié)。天寶SX10三維激光掃描儀與Trimble Access、Trimble Business Center軟件的完美結(jié)合，使得工作人員更容易熟悉和高效進(jìn)入測量工作流，能更快地進(jìn)入工作狀態(tài)，順利開展工作[4]。本次防空洞測量長度為2.6 km。三維影像掃描點(diǎn)云渲染如圖1所示。

圖1 三維影像掃描點(diǎn)云渲染圖

天寶SX10三維激光掃描儀在復(fù)雜的空間和現(xiàn)場對物體表面情況進(jìn)行激光光束快速掃描，獲得物體表面的方位角、天頂距、斜距和反射強(qiáng)度等，儀器系統(tǒng)會自動存儲并計算，獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)每個點(diǎn)的點(diǎn)位坐標(biāo)，屬于激光測距儀和激光角度測量儀的自動快速化系統(tǒng)組合[5]。天寶SX10三維激光掃描儀的最遠(yuǎn)距離可達(dá)數(shù)千米，掃描頻率可達(dá)每秒幾十萬次，幾乎可無死角進(jìn)行全面掃描。通過專業(yè)傳輸軟件，可把數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行計算機(jī)數(shù)據(jù)處理，形成可視化三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；可將物體的表面特征以點(diǎn)的方式顯示出來，并能馬上提取測量每個點(diǎn)位的坐標(biāo)；還可對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，快速提取所需數(shù)據(jù)到CAD軟件下進(jìn)行操作，構(gòu)建被測物體的三維模型以及線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù)。

掃描操作過程與全站儀原理相同，均利用圖根點(diǎn)設(shè)站定向原理完成，可保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，避免手持三維激光掃描儀產(chǎn)生較大誤差[6]。掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 天寶SX10三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.3 容積計算

相對于傳統(tǒng)測量方法，天寶SX10三維激光掃描儀的容積計算更加準(zhǔn)確，特別是地物不規(guī)則時，更能顯示容積計算的準(zhǔn)確度。對于防空洞容積計算，利用天寶RealWorks軟件從直觀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中截取所需計算容積的長度，即可方便快捷地計算得到所截取段的容積[7]。

3 測量方法與精度比較

3.1 測量方法比較

1）存儲方式由原來的平面數(shù)據(jù)形式轉(zhuǎn)化為三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)形式，數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式更加直觀，數(shù)據(jù)查詢和提取更加方便和快捷，更容易獲取真正需要的數(shù)據(jù)信息。

2）天寶SX10三維激光掃描儀測量耗時比全站儀更短，而采集的數(shù)據(jù)量卻更多，可在短時間內(nèi)完成面掃描，獲得大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，能體現(xiàn)物體表面的每個細(xì)節(jié)，提高了數(shù)據(jù)計算精度。

3）測量過程不受環(huán)境明暗影響，避免了全站儀測量平面圖需要在明亮環(huán)境下尋找特征點(diǎn)的弊端，在一定程度上減少了特征點(diǎn)漏測現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了整個外業(yè)的非接觸式測量，提高了工作效率。

4）傳統(tǒng)全站儀測量是在測完平面圖后再進(jìn)行斷面等測量，反復(fù)入場，存在大量重復(fù)工作；而天寶SX10三維激光掃描儀測量能一次性完成外業(yè)工作，后期所需數(shù)據(jù)可直接從外業(yè)采集完成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取，減少了大量多余工作量[8]。

5）由于防空洞內(nèi)視線不好，很多塌方、淤埋現(xiàn)象不易被發(fā)現(xiàn)。三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)能將塌方位置、淤埋深度等信息直觀地展現(xiàn)出來，并可直接提取塌方方數(shù)、淤埋深度和方量。

6）天寶SX10三維激光掃描儀的工作原理與全站儀相同，均通過圖根點(diǎn)設(shè)站和定向來完成，外業(yè)測量精度主要由儀器自身精度指標(biāo)決定，因此新儀器的引進(jìn)完全能保證常規(guī)測量精度。

3.2 天寶SX10三維激光掃描儀測量精度分析

在防空洞測量中，本文將全站儀測量結(jié)果與天寶SX10三維激光掃描儀測量結(jié)果進(jìn)行比較，提取兩次測量數(shù)據(jù)的共同特征點(diǎn)，對平面和高程進(jìn)行較差，結(jié)果如表1所示，可以看出，平面較差最大為0.036 m，高程較差最大為0.039 m，精度完全滿足本次測量要求。

表1 防空洞測量精度統(tǒng)計表/m

4 結(jié)語

通過比較分析可知，天寶SX10三維激光掃描儀能使工作效率得到很大提升，三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲形式能使數(shù)據(jù)的表現(xiàn)更加直觀，能一次性完成外業(yè)工作，后期所需數(shù)據(jù)可直接從外業(yè)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取，減少了大量多余工作。三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)能將塌方位置、淤埋深度等信息直觀地展現(xiàn)出來，且可直接提取塌方方數(shù)、淤埋深度和方量。通過比較提取的特征點(diǎn)坐標(biāo)和高程發(fā)現(xiàn)，該方法的測量精度完全滿足防空洞修復(fù)需求，提高了土方量和防空洞容積的計算精度，為防空洞的修復(fù)治理提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。