三维激光扫描技术在人防隧道检测中的应用

林博文 黄 玲

（广东省建筑科学研究院集团股份有限公司，广东广州 510500）

作为当前较为先进的测量系统，三维激光扫描仪在不直接接触物体表面的前提下，快速收集目标物体表面的三维数据，具有速度快、分辨率高、信息容量大等特点，且部分扫描仪集合了摄影测量技术，可以获取目标物体的色彩数据，有利于后期配准和建模等。此项测量技术的出现，改变传统以点为主的测量形式，大幅度提高了精度和密度，也为隧道检测提供了一个准确、高效的新途径[1-3]。

某地的人防隧道工程始建于20世纪70、80年代，是重要的人防设施。由于此隧道自建成至今已超过40年，原有图纸资料不齐全且现状情况不明。需要人防隧道进行现状摸查和综合分析，为后续的维护及加固工作提供科学的依据。为准确获取隧道的走向、几何尺寸和埋深等重要数据，在检测过程中采用了三维激光扫描技术。

本文根据实际效果，综合分析三维激光扫描技术在人防隧道检测中的应用效果和前景。

1 技术原理

三维激光扫描仪主要包括激光测距系统、分光棱镜、水平角度稳定器、垂直角度稳定器[4]。工作原理是通过激光测距系统测得目标点P与仪器所设中心点（坐标原点）的斜距S，通过测得每个光斑的水平角度α和垂直角度β[5-6]。一般假定Y轴是仪器扫描方向，Z轴与水平面垂直，X轴通过右手直角坐标系确定。

三维激光扫描仪坐标计算原理如图1所示。

图1 三维激光扫描仪坐标计算原理

由球坐标系转换公式可计算得采样点坐标P（XP、YP、ZP），计算公式：

2 隧道三维扫描流程

2.1 现场踏勘

由于人防隧道区间距离长，且宽度普遍在1～2 m，三维激光扫描仪无法一次扫描完成，需要架设多个测站。完成各测站扫描，点云数据需要进行配准后才能进行进一步处理，此时，配准精度直接决定了点云精度。在进行三维扫描前需要先进行现场查勘，并根据隧道大致走向确定测站位置，确定棱镜布置位置，尽量以棱镜后视的形式进行配准，减少后期手动配准。

2.2 控制点布设

由于三维激光扫描仪的量程有限，人防隧道距离较长，为了提高拼接精度，控制点需要提前布设，并可提前结合其他测量仪器进行测量并输入三维激光扫描仪系统，减少现场工作量，加快效率。

2.3 扫描测站

在人防隧道中使用三维扫描仪沿主要走向建立多个扫描站，站与站之间采用棱镜后方交会技术，以保证不同扫描站间点云的配准和拼接精度。棱镜架设于已布置好的控制点，利用扫描仪的全站仪模式，测得控制点的坐标后，可在任意时间进行复测。

3 扫描结果及成果处理

3.1 原始点云数据

内业采用点云后处理软件Trimble Business Center，选取扫描所得的第一测站数据进行数据处理。由于现场数据采集过程中，隧道底部一定角度范围内存在未清理的散落混凝土和一些小型器械，利用软件剔除不利因素。

整体点云还需要进行多视对齐和坐标转换以及进行点云重采样和数量压缩。

三维激光扫描仪采样点如图2所示。

图2 三维激光扫描仪采样点

3.2 隧道断面提取

沿人防隧道线路前进方向按一定点云宽度生成断面切片。生成的断面点云数据，间距不大于2.5 m，断面采集的厚度设为4 cm，并自动进行最邻近两点的连接，形成闭合的多段线[7]。

采集结果如图3所示。

图3 点云断面提取效果

获得的二维坐标是点数据，DXF文件是数据交换格式中的一个通用格式，主要是存储二维点数据以及由点数据生成的样条曲线，现利用程序将二维坐标数据转换为DXF格式数据存储，并进行连接和标注。

隧道断面如图4所示。

图4 隧道断面

3.3 隧道走向

由于人防隧道原有图纸资料不齐全，需要根据三维扫描数据复原出隧道的走向图。现利用三维坐标转换的方式，将三维点云投影至水平面，此时隧道的走向即为三维点云的边界，能够大幅度减少采用CAD逐条划线的原始绘图方法。

根据此方法获得的隧道走向如图5所示。

图5 隧道平面

3.4 隧道埋深自动计算

在隧道施工和运营过程中，隧道埋深的精确计算一直是困扰技术人员的难题。人防隧道工程建设年代久远，缺少竣工图纸，整段隧道无标高数据，埋深也难以进行确定。现结合三维激光扫描技术，可在人防隧道检测过程中完成隧道埋深的计算。

（1）在对人防隧道进行三维扫描时，可通过定位获得点云的绝对坐标。通常在洞口借用已知坐标点（至少两个）进行定位，也可结合RTK进行定位，再进行隧道内部结构的扫描，此时点云数据中的各点坐标均为绝对坐标，包括隧道顶部的三维坐标。

完成人防隧道三维扫描后，在隧道正上方进行扫描，此时，隧道和地面的三维点云位于同一坐标系中。

（2）得到人防隧道和地面的高程数据后，利用已知坐标进行插值，可获得隧道正上方的地面标高，再将地面标高和隧道顶部标高进行比对，即可得到隧道埋深[8]。为减少人工计算，提取点云中的地面三维坐标采用Python的pyKriging库编译的程序，求得场地内任意位置的高程。

结合可视化模块，场地范围内的地面模型如图6所示。

图6 地面三维模型

（3）由于隧道埋深指断面的顶部至自然地面的垂直距离，现取沿隧道横断面方向上最高点为顶部标高，即可求得隧道埋深数据，如图7所示。

图7 地面三维模型

为充分体现隧道沿线的埋深，可选择任意步长绘制横向和纵向的隧道埋深剖面图，或在隧道扫描数据中通过颜色体现埋深。

隧道进口段的埋深如图8所示。

图8 隧道埋深计算结果

4 结语

本文根据在某人防隧道检测过程中三维激光扫描技术的应用情况，综合分析了三维激光扫描技术在人防隧道检测中的应用效果。采用三维激光扫描技术，可以准确、快速获取隧道每个位置的三维坐标，实现隧道断面提取、走向提取和埋深自动计算等功能。常规的隧道检测方法中，采用全站仪进行此类参数的测量，工作周期较长且观测频繁，以手工为主作业模式导致效率低下，在高程变化大的地段，点位数据往往高度失真。三维激光扫描技术获取的隧道断面、走向和埋深，鉴于其点云完整性的优势，能够真实反映隧道真实情况，采集得到的隧道信息更全面，弥补了传统检测手段的缺陷，协助技术人员更好地完成人防隧道检测。