三维激光扫描仪测量隧洞的关键技术
2017-03-27贾晓堂
贾晓堂
(辽宁省水利水电勘测设计研究院,辽宁沈阳110006)
三维激光扫描仪测量隧洞的关键技术
贾晓堂
(辽宁省水利水电勘测设计研究院,辽宁沈阳110006)
在特长引水隧洞工程测量中,如何确定三维激光扫描仪的控制点间距,保证扫描得到的隧洞轴线点点位偏差小于5 cm,是三维激光扫描测量的关键参数。美国FARO三维激光扫描仪在引水隧洞中的应用并不多见,无同类研究可借鉴。通过实验,对大量观测数据进行整合研究计算,最终确定了三维激光扫描测量的关键参数。
三维激光扫描仪;引水隧洞;拼接误差;控制点间距
1 概况
三维激光扫描是国际上快速发展的一项高新技术。随着三维激光扫描仪在地质、交通、航空航天、地震监控等领域中的实际应用,这种技术已经引起了广大工程技术人员的关注。利用三维激光扫描技术获取的空间点云数据,可快速建立结构复杂、不规则场景的三维可视化模型,既省时又省力,这种能力是现行的三维建模软件所不可比拟的。
某引水工程隧洞全长近100 km,洞径8 m。为了精确计算隧洞的超欠挖方量,常规方法需在隧洞内每间隔10 m左右利用全站仪进行横断面测量,需布设约100 00条横断面,工作量极大。洞内条件复杂,通视条件差,故在短时间内利用常规方法无法完成任务,由此引入三维激光扫描仪。
美国法如FARO三维激光扫描仪,以世界上最快的三维大空间激光扫描而著称,虽在很多行业中已经得到应用,但在水利工程特长隧洞中的应用并不多见。三维激光扫描仪扫描得到隧洞的点云数据,利用扫描仪后处理软件可快速建立隧洞的三维可视化模型,并得到任意间隔的横断面以及拟合出实际隧洞轴线。
FARO三维激光扫描仪在隧洞内的扫描过程相对简单。但在扫描初期,如何确定控制点间距进而保证隧洞轴线点位置偏差小于5 cm(业主提出)成为三维激光扫描的关键。由于FARO三维激光扫描仪在引水隧洞中的应用并不多见,所以无同类研究可借鉴。通过实验,对大量观测数据进行整合研究计算,最终确定了控制点间距并保证扫描得到的隧洞轴线点位置偏差小于5 cm。
2 实验方案
2.1 点位布设
在某一支洞洞口架设全站仪,选用Leica TS30全站仪(标称精度测距0.6 mm+1 ppm,测角0.5″)。获得扫描仪每站前视2个标靶点、后视2个标靶点的精确坐标,用于把扫描仪的独立坐标转化为引水隧洞工程坐标,用2个点进行坐标转换,其他点用于位置偏差计算分析。
从洞口开始,每隔60 m架设一站三维激光扫描仪对洞壁进行扫描,每站前后各架设4个标靶球,扫描范围约前后40 m,各站重叠20 m。由于现场正在施工,该段隧洞从洞口开始只能进入到洞内约200 m处,观测实验时往测观测3站(第1至3测站),返测观测3站(第4至6测站)。详见图1。
图1 往返测示意图
图中:C1,C2为第1测站后视的2个棱镜坐标点;
C3,C4为第2测站后视的2个棱镜坐标点;
C5,C6为第3测站后视的2个棱镜坐标点;
C7,C8为第3测站前视的2个棱镜坐标点,也是第4测站后视的2个棱镜坐标点;
C9,C10为第4测站前视的2个棱镜坐标点;
C11,C12为第5测站前视的2个棱镜坐标点;
C13,C14为第6测站前视的2个棱镜坐标。
全站仪观测的棱镜中心比扫描仪的标靶球中心高出0.024 m,把全站仪得到的各点的高程减去0.024 m,最终得到表1的已知坐标。
表1 全站仪测得的已知坐标m
全站仪的标称精度较高,考虑到洞内观测条件较差,分别取测角1.0″,测距1 mm+1 ppm,则最远点的平面点位精度约为1.4 mm,可把全站仪观测得到的C1-C14作为已知点用于三维激光扫描仪的坐标转换和精度分析。
2.2 拼接误差分析
方案1:采用4个标靶点进行点云拼接,以C1和C2为已知控制点,见表2。
表2 方案1计算结果汇总m
方案2:采用4个标靶点进行点云拼接,以C13和C14为已知控制点,见表3。
方案3:采用4个标靶点进行点云拼接,以C7和C8为已知控制点。
表3 方案2计算结果汇总
表4 方案3计算结果汇总
3个方案分别选取测段的起点、中间点、终点的坐标作为已知控制点,采用4个标靶点进行点云拼接。从表2至表4的计算结果可知,按每60 m间隔作为一站进行扫描,每300 m引入一个(或一对)控制点,得到的隧洞轴线点位置偏差可以满足小于5 cm的精度要求。
3 结语
美国FARO三维激光扫描仪已广泛应用于各个领域,在工作过程中需要注意根据工程的精度要求布设控制点。控制点间距是一个关键参数,其对测量外业工作量、测量工期、成果精度都起到了决定性的作用。通过实验证明了每300 m布设一个(或一对)控制点,得到的隧洞轴线点位置偏差可以满足小于5 cm的精度要求,为即将开展三维激光扫描业务的单位或个人提供一定的数据支持。
[1]张启福等.三维激光扫描仪测量方法与前景展望[J].北京测绘,2011(01):39-42.
[2]杨忞婧.地面三维激光扫描仪的测量误差分析[J].东华理工大学学报(自然科学版),2013(02):228-232.
[3]钱建国等.三维激光扫描仪获取的数据处理与应用研究[J].矿山测量,2009(06):44-46.
[4]黄承亮.激光扫描技术下桥梁变形监测方法的研究[J].测绘通报,2015(S1):206-209.
TV554
B
1002-0624(2017)03-0058-02
2016-06-29