三维激光扫描仪在隧道收敛测量中的应用

高元勇++崔龙

摘 要：三维激光扫描技术是一种高精度立体全自动的扫描技术，可以快速、有效、准确地获取三维空间信息，全天候对任意物体进行扫描并获取高精度的物体表面点三维信息及反射率信息。随着该项技术的成熟发展，三维激光扫描技术已在变形监测、建立地面模型等方面得到了广泛应用，本文将对三维激光扫描仪测量误差分析以及三维激光扫描仪在隧道收敛测量中的应用进行系统综述。

关键词：三维激光扫描；隧道收敛；误差分析

中图分类号：U456.3；P234.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）03-0118-02随着科学技术的不断发展，人们渐渐将对客观事物的认知从平面二维层面转向三维立体方向，测绘工程中的三维激光扫描技术应运而生，实现了测绘过程中对物体三维层面的要求，摆脱了传统测量仪器的局限性，是直接获取所要高精度三维数据、实现可视化的三维重要手段，极大的降低了测量的成本，时间上更节约，使用更方便，而且范围应用的更广，在森林和农业、战场仿真、文物保护、工程测量、变形监测、医学研究等领域都有很大的發展空间。三维激光扫描技术的出现和应用，大大地拓宽了测量的领域，提高了测量的效率，简化了测量的强度，是目前迅猛发展并广泛应用的新技术之一。

1 三维激光扫描技术的原理

三维激光扫描仪含括了多种先进的测量技术，可以在不接触物体的状态下主动对物体进行测量，在获取点云形式之后测量到复杂的地形及物体的表面，由点集成的三维数据，协同多种测距法的作用下计算出每个点的三维坐标，其中经常用到的测距方法有三角测距法、脉冲测距法以及相位测距法。

三维激光扫描系统根据工作原理大致分为以下三类：

（1）径向三维激光扫描仪。运用脉冲测距技术在固定中点顺着视线进行距离测量，测量到的距离可超过100m，每秒可以测得大于1000个点。

（2）相位干涉法扫描系统。通过连续的激光发射波，利用光学干涉原理得到干涉相位的测量方法，此方法适合短距离的测量，测量范围通常不超过50m，每秒钟可以成功测的10000至50000个点。

（3）三角法扫描系统。在获得两条光线信息的基础上，通过立体相机与机构化的光源，建立出立体的投影关系。此方法适合短距离的测量，测量范围在2m以内，每秒可测得100个点。

2 三维激光扫描仪测量误差分析及校检

2.1 三维激光扫描仪测量误差分析

三维激光扫描仪避免不了在测量过程中会产生误差，其中可分为两类分别为系统误差与偶然误差，系统误差可以通过多种方式来削弱，但是偶然误差是随机发生的，没有办法控制只能进行多次的重复来减少发生这样的误差。

2.2 三维激光扫描仪的校检

检测激光扫描仪测量距离的精度，经常用到的方法包括基线比较法和六段解析法。基线比较法的模型是对加常数和乘常数两个参数同时进行解算。而六段解析法消除乘常数相关影响，加常数的检测精度较高，但只能检测加常数。

校检的模型包括以下三类：六段解析模型（1971年由H.R.Schwendener首次提出，也叫做六段全组合法，这种方法不需要标准基线，通过全组合方式就能获得观测数据）；基线比较模型；角度校检模型。

校检的实验测试分为以下几个步骤：实验仪器的准备以及校检场的建立。校检实验在完成测距实验、测角实验、温度环境实验等才能对结果进行分析。

测距精度和测角精度是地面三维激光扫描仪扫描数据精度的两个主要方面，在运用相关的校检模型改正观测量后，其测距与测角精度得到了明显的提高，不同地方的环境因素对激光扫描仪的影响以及目标物体对观测结果的影响还需要我们进一步的研究。

3 三维激光扫描技术在地铁隧道收敛中应用的基本思路

隧道收敛变形中用到的激光扫描技术其关键就是数据的处理，因此下面对数据处理研究进行侧重介绍。其整个过程按照以下的技术路线进行：

3.1 数据的采集

（1）提前准备好导线与水准的测量方案，以激光扫描仪性能、参数和现场环境作为参照设计出扫描站的间距及扫描点的密度，得到一些扫描重叠的点。

（2）按照测量方案对隧道内的导线及水准进行测量，将三维坐标进行传递。传递方式通过标靶进行，测量导线及水准与观测标靶同时进行。

（3）对隧道进行三维激光扫描，同时取得隧道内壁的三维点云数据，以及标靶点云数据。

3.2 数据的预处理

（1）对靶标的三维坐标进行计算：结合导线及水准测量结果，得到靶标的三维坐标。

（2）对点云产生的三维坐标数据进行归算：建立统一的三维坐标系，将各个标靶的三维点云数据归算到一起。

（3）将数据中的噪音除去：根据隧道设计数据，除去隧道中的噪音数据。

（4）将比较重要的管壁点云数据提取出来：关闭的点云数据密度并不均匀，可能是因为扫描的角度和扫描的距离造成的，我们在进行下一步数据处理之前，需要去掉那些点云密度大的范围中一些可能多余的数据点，然后在根据一定的密度将某些点云数据提取出来，这样可以大大提高进一步数据处理的速度。

3.3 三维模型的建立

以预处理之后的点云数据为参考生成地铁隧道内壁的三维模型。

3.4 成果的输出

（1）根据地铁隧道收敛变形测量要求，对指定管片（或每个管片、或一定间隔的管片）截取三维模型断面，对断面数据进行高次样条（多项式）曲线拟合，将其与设计的断面理论值进行比较，计算出管片一周的变化量曲线，将其中的特征点进行输出，例如形变最小的的上、下、左、右或者是等角度处（如每隔10°）变形量的差值。（2）将包括每管片一周的收敛变形报告输出。

3.5 成果的管理

三维激光扫描的成果管理最主要的形式之一就是建立数据库，这样不仅能对较大量的断面数据、多次测量结果进行有效的管理，还能够大大地提高成果管理的效率。将每个管片测量成果进行数据库管理，并达到成果的浏览与分析效果。其主要的目的有以下几点：

（1）该数据库可以用于浏览每个管片断面的变化量曲线及变形量差值。

（2）该数据库中的测量成果可以通过地铁隧道中轴线方向的变形影响整个趋势，因此用来找到其他变形量大的区段。

（3）该数据库可以建立历史数据，帮助解决今后同一区段的变形趋势的问题。

（4）可以根据变形的限值，建立分析预警的模型。

4 三维激光扫描技术在隧道收敛测量中的优势

4.1 传统收敛测量方法的难点

隧道在发生形变之后，我们很难判断其是相对形变还是绝对形变，所谓绝对形变是隧道环片相对于设计或者施工时各环片的绝对变化位移，这种情况是很难测定的；二相对形变是隧道的钢体结构相对于设计或者施工初期的相对变化位移，我们所介绍的隧道收敛变形测量指的就是测定隧道的相对形变量，来进一步判断隧道形变的程度。

隧道收敛测量中经常用到布设传感器和使用全站仪测量收敛的方法，传感器测量隧道收敛方法虽然精度较高，但是常常受到环境的影响，尤其是在环境光源比较暗的情况下，所测量的到的结果精度不够，而且自动化程度不高。传统收敛测量的方法利用布设导线进行坐标的传递，通常在一圈管片上均匀设置若干个观测点，在通过全站仪对各点进行观测后获得的数据总结起来进行隧道的变形分析，传统方法有许多难点进行克服，主要表现在以下几个方面：

（1）传统方法在布点以及测量上无法保证各点严格地在同一条直线、共面，所以无法确定所测上下行线监测环在同一三维激光扫描仪在隧道收敛测量中的应用

高元勇1，2 崔龙1

（1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052；2.新疆疆海测绘院，新疆乌鲁木齐 830002）

摘 要：三维激光扫描技术是一种高精度立体全自动的扫描技术，可以快速、有效、准确地获取三维空间信息，全天候对任意物体进行扫描并获取高精度的物体表面点三维信息及反射率信息。随着该项技术的成熟发展，三维激光扫描技术已在变形监测、建立地面模型等方面得到了广泛应用，本文将对三维激光扫描仪测量误差分析以及三维激光扫描仪在隧道收敛测量中的应用进行系统综述。

关键词：三维激光扫描；隧道收敛；误差分析

中圖分类号：U456.3；P234.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）03-0118-02横断面上。

（2）传统方法效率较低、成本较高，并且不能保证每个管片都能观测的到。

（3）传统的收敛测量不能全方位的反映出隧道形变。

（4）传统的方法对成果的分析较难，测量过程中涉及到的不可控环节较多，所测得的结果精度大幅降低。传统方法不能进行大规模数据采集，更不能够第一时间获得成果上的指导。因此我们一定要采取发现新的测量技术。

4.2 三维激光扫描技术的应用特点

三维激光扫描技术之所以被称为“实景拷贝技术”，是因为它可获取任何复杂的现场环境及空间目标的三维立体信息，还能够快速重构目标的三维模型及线、面、体、空间等各种带有三维坐标的数据，从而再现客观事物真实的形态特性。

（1）在现代工程建筑领域，快速准确获取建筑三维数据，不但极大程度上丰富了三维数据展示的效果，由于其每个点都有三维坐标，可提供可量测的画面数据，为建筑工程的检测与分析提供新的手段；

（2）其非接触的数据获取方式可以有效地减少传统操作中不必要的破坏和损伤，为检测保护与维护施工提供准确、科学的数据，发挥高新技术的积极作用；该技术可以支撑一个快速、高效、节约成本的解决方案。

（3）三维扫描技术采集隧道点云数据，对点云数据快速分割生成切片，针对切片中的散乱点提出了一种多点坐标平差计算圆心方法拟合切片圆心，对拟合的圆环与设计值进行比较，分析变化情况。本文系统地提出了基于三维激光扫描的隧道点云的收敛变形分析方法，对三维扫描技术在隧道中的应用有一定的意义。

4.3 扫描的数据用于断面测量还将会在以下两个方面得到更好的发展和应用

（1）3D建模。根据预处理后的点云数据生成地铁隧道内壁（包括隧道内目前已有的附属设施）三维模型，为今后的隧道维护恢复提供相对原始的数据资料。

（2）轴线变化和趋势预测。将轴线与设计值的三维关系进行比对，在测量标志球位置真实的三维坐标后，拟合得到的隧道轴线就相当于真实的轴线，进而可以对隧道轴线整体变化的情况趋势进行预测。

5 结论与展望

三维激光扫描技术是一种高效、便捷、节约成本的技术，高于常规测量的收敛精度，能够为隧道收敛测量提供准确、科学的依据。本文在介绍三维激光扫描仪原理、误差产生及仪器校检的基础上，对三维激光扫描仪在隧道收敛测量中的应用及优势进行了详细阐述。应用三维激光扫描技术在隧道的收敛方面，在保证扫描距离及点云密度的条件下，数据结果一般就能满足隧道收敛的要求，而且该技术可以快速、完整的采集隧道内部的表面数据，提高了数据采集的速度及数据处理的效率，尤其是在隧道运营时间间断不能过长的情况下，采用三维激光扫描技术快速实现作业目标。

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