浅议三维激光扫描技术在隧道工程测量中的应用
2016-08-22陈辉
■陈辉
（辽宁省有色地质局107队辽宁大连116113）
浅议三维激光扫描技术在隧道工程测量中的应用
■陈辉
（辽宁省有色地质局107队辽宁大连116113）
随着科技的发展，三维激光扫描技术在测量方面的应用日趋成熟。本文以某隧道工程竣工测量为例，通过与传统测量技术的比较，讨论了三维激光扫描技术在隧道竣工测量工作中应用的可行性、技术优势、测量方法和数据处理方法。
三维数据 三角网模型 标靶噪音数据
1 引言
三维激光扫描技术(3D Laser Scanning Technology)是一种先进的全自动高精度立体扫描技术,可以快速地获得被测物体表面密集的、全面的、关联的、连续的三维坐标数据及影像数据，因此也被称为“实景复制技术”，它是继GPS技术之后测绘领域又一次技术革命。与基于全站仪或GPS的测量技术相比，其数据采集效率较高，且采样点数要多得多，形成了一个基于三维数据点的离散三维模型数据场,这能有效避免以往基于变形监测点数据的应力应变分析结果中所带有的局部性和片面性 (即以点代面的分析方法的局限性)；与基于近景摄影测量的变形监测相比,尽管它无法像近景摄影那样能形成基于光线的连续三维模型数据场,但它比近景摄影具有更高的工作效率,并且其后续数据处理也更为容易,能快速准确地生成监测对象的三维数据模型。这些技术优势决定了激光三维扫描技术在隧道工程测量领域有着广阔的应用前景。
2 采用三维激光扫描技术进行隧道竣工测量的技术路线
整个工作流程分为外业数据采集、数据预处理、三角网模型建立、隧道断面截取、成果输出、对比分析等，整个过程以如下技术路线进行：
2.1数据采集
设计导线与水准测量方案，根据激光扫描仪性能参数及现场环境设计扫描站间距、扫描点密度，保证具有一定的扫描重叠度。隧道内导线及水准测量，传递三维坐标。传递方式采用标靶进行，在导线及水准测量的同时观测标靶。同步进行隧道三维激光扫描，获得隧道管壁三维点云数据，同时也获得标靶点云数据。
2.2数据预处理
标靶三维坐标计算：通过导线及水准测量成果，计算标靶的三维坐标。点云数据三维坐标归算：根据标靶三维坐标将每站的点云数据归算到统一的三维坐标系统。剔除噪音数据：根据隧道设计数据（如圆隧道的直径及轴线空间位置），剔除管壁外的噪音数据。噪音数据主要是预制管片的连接螺栓孔、螺帽、注浆孔及电缆、照明设备和其他附着在管壁上的设施。提取必要的管壁点云数据：由于扫描角度、距离等因素，管壁点云密度并不均匀，站附近的点密度大。为便于下一步处理，去掉点密度大的区域中不必要的大量冗余点，按照一定的密度提取点云数据，提高后续数据处理速度。
2.3三角网模型建立
点云数据经过预处理后，在专业的建模软件中建立三角网模型，建模过程中要注意以真实情况为主，避免大量漏洞的修补。
2.4隧道断面截取
建立好三角网模型后，在专业软件中，确定出隧道的中心线，并沿其法线方向按一定间隔截取隧道的断面图。
2.5成果输出
将截取的断面图输出成DWG格式文件，在CAD软件中量取隧道不同方向上的半径值。
2.6对比分析
将不同间隔的断面成果数据制作成表格和直方图，进行分析统计。
课外学习的开展应该建立在课堂中课文的基础之上，在开展的过程当中，教师应该保证课外学习的内容既与课堂当中学习的内容相联系，同时还应该满足教学大纲的需求。教师在给学生留课下学习的任务时，应当从学生的实际问题出发，以在课堂中学到的知识为出发点，再对生活当中或者实际的社会当中所遇到的问题来进行展开。另一方面，课外学习也可以从学生的经验来开展，根据学生的学习兴趣，组织开展社区或者学校里面的兴趣活动，提高学生学习的兴趣。
3 实测案例
由我单位负责的某隧道竣工测量工作中，先前一直采用收敛计配合全站仪的工作模式，为了进行新技术的推广，选取了某区段中一个长约100m的区域进行了正右线的三维激光扫描方式的隧道竣工测量。
3.1仪器的选用
仪器选用我单位拥有的IMAGER 5006扫描仪,这款扫描仪每秒最大扫描976000点，25m内的系统距离误差不大于±2mm。
3.2数据采集
（1）扫描参数设定。根据以往的工作经验，整个数据采集工作选用中等速度和质量进行，分辨率设为1/5，质量设为4X，一个测站的扫描时间大约为6min30s。
（2）仪器设站及标靶球的摆放。考虑到数据采集精度及仪器的有效距离，每个测站间隔大约30m，试验段区域左右线一共摆放了6站。在试验段的两端分别摆放不同数量的标靶球，用以辨认测量区域范围。在每两个测站之间，摆放3个以上的标靶球，注意标靶球应避免在一个平面内，以免影响拼站精度。
3.3数据处理
利用仪器配套的FaroSense点云后处理软件进行测站拼接，并在Cyclone软件中删除噪点。
3.3.2三角网模型的建立
在Geomagic软件选定合适的参数对处理好的点云数据建立三角网模型通过与全站仪的精度比较试验，验证地面三维激光扫描技术在隧道变形测量中的可靠性，利用隧道三维建模算法得到的变形量与全站仪的测量结果相差在2mm以内。
3.3.3中心线提取及断面输出
利用RealWorksSurvey软件对隧道模型进行中心线的提取并按每隔2个环片输出中心线法线方向的断面图，成果为DWG格式
3.3.4半径的量取
在CAD软件中，由断面图中心点分别沿正左、左45°、正上、右45°、正右5个方向量取半径值。
3.4数据分析
选用本次扫描仪测量获取的数据同前期用全站仪测量获取的数据进行比较，由于全站仪获取的数据是按等距离米数进行隧道断面切割的，而不是按环片数截取的，所以这里只是选取位置接近的地方进行比较，比较成果如下图示。
从比较结果来看，扫描仪获取的数据和全站仪获取的数据虽然在数值上会有一些差别，但变化趋势基本上一致。
4 结束语
采用三维激光扫描技术进行隧道的竣工测量，能够一次性快速、完整、全方位地采集隧道内部的表面数据，并且从数据处理结果上看，能够满足隧道竣工测量绘制纵横断面图的要求。实践证明，采用本方法，与传统的测量方法比较，极大地提高了作业效率，降低了作业强度，缩短了测量周期，对于隧道安全监测是有效的方法。
[1]徐源强，高井祥，王坚.三维激光扫描技术［J］.测绘信息与工程，2010，35（4）：5～6
[2]夏国芳，王晏民 .三维激光扫描技术在隧道横纵断面测量中的应用研究［J］.北京建筑工程学院学报，2010，26（3）：37～38
P2[文献码]B
1000～405X（2016）～4～313～1
