李振國,王 林,韋 征,張 豪

(1.浙江交工集團股份有限公司,浙江 杭州 310051;2.浙江工業(yè)大學 土木工程學院,浙江 杭州 310023;3.浙江省交通工程管理中心,浙江 杭州 310005;4.東南大學 土木工程學院,江蘇 南京 211189)

近些年來,隧道建設或運營過程中的塌方事故常有發(fā)生,隧道施工階段的斷面檢測和監(jiān)控量測是保障隧道安全施工及運營的關鍵。三維激光掃描儀技術作為一門新興的測量技術,被譽為繼GPS之后的又一次測繪技術革命,相較于傳統(tǒng)測量技術(全站儀、GPS和近景攝影測量技術等)的單點坐標采集,該技術可全面快速獲取目標物的三維空間信息,讀取目標物表面的三維坐標,實現(xiàn)點測量到面測量的轉換,為構建三維全景隧道樣貌提供了全新的技術手段[1-5]。與傳統(tǒng)測量技術相比,三維激光掃描儀的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在非接觸式測量、數(shù)據(jù)量多且全面、工作效率高以及受工作環(huán)境影響較小等方面[6]。

作為測繪儀器,三維激光掃描儀在出廠時都有標稱精度,然而該精度是在理想環(huán)境下測得的,在實際使用中是否能達到標稱精度往往難以確定,因此需要對掃描儀的實測精度有一個系統(tǒng)的認識和評價[7-8]。筆者從測距、測角、入射角和豎向變形位移4個方面來分析三維激光掃描儀的實測精度,對三維激光掃描儀用于隧道施工中斷面檢測和監(jiān)控量測進行評價。

1 儀器選擇

目前三維激光掃描儀的品牌眾多,各項指標各有區(qū)別,應用目的不同,儀器精度側重點各有不同,這也為實際工程提供了選擇的方向。筆者對比了3臺掃描儀的型號參數(shù),具體如表1所示。

表1 三維激光掃描儀參數(shù)對比Table 1 Comparison of 3D laser scanner parameters

從表1中可以看出:Trimble SX10具備較高的掃描速度,能夠提升工作效率,且測距和測角精度都很高,并有著600 m的掃描距離,更適用于隧道工程中。因此,本研究選用如圖1所示的Trimble SX10三維激光掃描儀作為試驗儀器。

圖1 Trimble SX10三維激光掃描儀Fig.1 3D laser scanner Trimble SX10

2 三維激光精度試驗儀器和方法

影響三維激光掃描儀測量精度的誤差主要來源于3個方面:掃描儀儀器本身的誤差(儀器誤差)、外界環(huán)境引起的誤差(環(huán)境誤差)和由被測目標物引起的誤差(反射面誤差)[9]。儀器誤差是三維激光掃描儀所測點云數(shù)據(jù)精度的主要誤差來源,其中測距和測角是影響精度的兩個主要因素;環(huán)境誤差可通過保證試驗環(huán)境的溫度和氣壓穩(wěn)定來降低;在實際隧道工程中,同一隧道中圍巖的粗糙程度一致,反射面誤差可忽略不計[10]。

2.1 測距試驗

測距精度檢驗采用6段解析法[11],通過全組合方式獲得21段測量數(shù)據(jù),利用間接平差原理求得加常數(shù)和測距標準偏差值,進而修正全站儀的實測值,并將三維激光掃描儀測得的結果與全站儀修正后的測距值進行比較,校驗掃描儀的測距精度。按圖2所示進行布設,X=5 m,Y=10 m,試驗測得的21段距離值如表2所示。

圖2 測距精度試驗布設圖Fig.2 Layout of the ranging accuracy test

表2 全站儀全組合測距值及差值Table 2 Total station range measurement values and difference values

2.2 測角試驗

圖3 測角精度試驗圖Fig.3 Test diagram of angle measurement accuracy

2.3 入射角試驗

圖4 入射角試驗圖Fig.4 Test diagram of incident angle

2.4 豎向變形位移試驗

由于隧道初期支護的混凝土一直受圍巖的作用力,三維激光掃描儀的初襯會一直處于受力狀態(tài)。在受力狀態(tài)下的實際變形位移與掃描儀監(jiān)測的變形位移是否一致值得分析研究。筆者主要通過兩組試驗分析受力前后的位移變形,以百分表的位移變形值為基準。第1組通過固定入射角,分析不同測量距離下受力前后的變形位移情況;第2組通過固定測量距離,分析在給定距離下受力前后的位移變化情況。試驗設計如圖5所示,試驗步驟如下:1) 混凝土試塊加載前,掃描儀架設在某一站點掃描反射片,即為變形前點云數(shù)據(jù),百分表讀取加載前的初始讀數(shù);2) 在跨中加載混凝土試塊,掃描儀在同一站點、同一高度下掃描反射片,即為變形后點云數(shù)據(jù),百分表讀取加載后的變形讀數(shù);3) 其他站點觀測步驟同步驟1)和步驟2);4) 提取反射片的中心點坐標,計算掃描儀掃描前后的位移變化值,同時計算百分表在每個站點處的變化值。

圖5 豎向變形試驗示意圖Fig.5 Schematic diagram of vertical deformation experiment

3 結果分析和討論

3.1 測距對精度的影響

利用MATLAB軟件解算出全站儀測距值的加常數(shù)0.001 6和標準偏差值(0.001 8 0.008 60.009 3 0.004 3 0.007 0 0.010 8)T,將解算得到的標準偏差值對全站儀(思拓力R2,2 mm+2 pm,1″)測距值進行修正,得到標準參考值。將三維激光掃描儀測得的距離值與標準參考值進行比較,站點A的比較結果如表3所示。

表3 掃描儀測距值與標準參考值比較表Table 3 Comparison table of scanner ranging values and standard reference values

根據(jù)表3中的誤差值計算出測距的均方根誤差值σ。計算得到均方根誤差值σ=1.88 mm,該測距精度小于掃描儀的標稱精度2 mm,滿足掃描測距精度。σ計算式為

(1)

式中:i為第i個測段;n為測段數(shù)。

3.2 測角對精度的影響

根據(jù)試驗設計,記錄三維激光掃描儀提取的測角值與全站儀測得的測角值,測站O點的測量結果如表4所示。

表4 全站儀與掃描儀的測角比較值Table 4 Angle measurement comparison values of total station and scanner

從表4中可以看出:全站儀測角值與掃描儀測角值的誤差絕對值小于1″,滿足掃描儀的測角精度,對測量結果的影響較小,故角度測量值是可靠的。

3.3 入射角對精度的影響

根據(jù)試驗設計,記錄三維激光掃描儀到發(fā)射片的入射角與每個反射片上全站儀和掃描儀所測的中心坐標差值ΔD,結果如表5所示。

表5 不同入射角度的誤差值Table 5 Error values of different incident angles

不同入射角下的點位誤差值如圖6所示。從圖6中可以看出:隨著入射角的增加,點位誤差值呈現(xiàn)增大的趨勢,同時也顯著影響點云精度;當入射角超過73.7°后,點位誤差值變化幅度明顯增加;當入射角不超過70.7°時,點位誤差值小于3.5 mm。

圖6 不同入射角下的點位誤差值Fig.6 Point position error values under different incident angles

3.4 豎向變形對精度的影響

根據(jù)試驗設計,記錄受力前后百分表的變形值與三維激光掃描儀監(jiān)測到的豎向位移變化值。第1,2組試驗結果分別如表6,7所示。

表6 同入射角下三維激光監(jiān)測變形值與百分表變化值比較表Table 6 Comparison table of the deformation values of the three- dimensional laser monitoring and the change values of the dial indicator under the same incident angle

表7 等測距下三維激光監(jiān)測變形值與百分表變化值比較表Table 7 Comparison table of the deformation values of the three- dimensional laser monitoring and the change values of the dial indicator under the same distance measurement

同入射角下三維激光掃描儀和百分表比較值與測距的關系圖如圖7所示,同測距下三維激光掃描儀和百分表比較值與入射角的關系如圖8所示。從圖7,8可以看出:當測距在20 m以內以及入射角在60°以內時,百分表和三維激光掃描儀的誤差絕對值不超過1 mm。當三維激光掃描儀應用到隧道的變形監(jiān)控量測時,建議現(xiàn)場使用過程中掃描小范圍測程,以滿足隧道變形監(jiān)控量測精度0.5～1.0 mm的要求。

圖7 同入射角下三維激光掃描儀和百分表比較值與測距的關系圖Fig.7 The relationship between the comparison values of the three- dimensional laser scanner and the dial indicator and the distance measurement under the same incident angle

圖8 同測距下三維激光掃描儀和百分表比較值與入射角的關系圖Fig.8 The relationship between the comparison values of the three- dimensional laser scanner and the dial indicator and the incident angle under the same distance measurement

4 結 論

根據(jù)上述試驗和分析可得以下結論:1) 在實際工作中,儀器的測距、測角精度達到了標稱精度,隨著距離的增長,測距精度呈下降趨勢;2) 隨著入射角的增加,誤差值顯著增大,點位精度降低,當入射角不超過70.7°時,點位誤差值小于3.5 mm;3) 在測距20 m內和入射角60°內,點位豎向變形誤差絕對值不超過1 mm,可應用到小范圍測程的隧道監(jiān)控量測中。故三維激光掃描儀在實際工作環(huán)境下可以達到標稱精度,將該儀器應用到隧道施工過程的斷面檢測和監(jiān)控量測中具有可行性,測量結果可靠?？紤]到隧道施工環(huán)境復雜多樣,建議掃描儀在少粉塵、少人員走動和少臺車的環(huán)境下進行工作,以減少掃描誤差。