徕卡RTC360三维激光扫描仪在隧道断面采集中的应用

缪志修，刘 志，赵有兵

（中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031）

传统的断面采集效率、采集精度较低，不能快速响应任意里程段的断面数据，三维激光扫描仪可迅速获取隧道的高精度完整点云，实现了1：1“实景复制”，测量高效、全面、精确和直观，相比传统方法具有更多优势。

本文结合实际工程项目，采用徕卡RTC360扫描仪对该隧道进行扫描，并在采集点云的基础上结合设计线位进行断面的采集。实践结果表明，采用该技术能够快速获取隧道的三维点云数据，并采用配套的专业软件，能够快速提取线路任意里程处的断面数据。

1 工程概况及扫描技术要求

成兰铁路（Chengdu-Lanzhou Railway）为中国中长期铁路网规划的重要组成部分，是一条连接四川省成都市和甘肃省兰州市的铁路。成都-兰州铁路设计时速200 km，全长573 km，是中国铁路一类双线电气化快速铁路，该项目为成兰铁路的杨家坪隧道，位于高川-茂县区间，杨家坪隧道位于龙门山中央活动断裂与龙门山后山活动断裂之间，全长12 815 m。其中进口至DK112+720段1 500 m为双洞单线分修隧道，DK112+720～DK123+845段11 125 m为单洞双线合修隧道，出口DK123+845～DK124+035段190 m茂县车站伸入隧道，为三线车站大跨隧道。本隧道线路纵坡为单面上坡，最大埋深745 m。

本次隧道三维激光扫描里程范围为DK113+395~DK121+07。本隧道已经完成了洞内二等导线的测量，导线布设方法为每隔300～400 m在隧道内两侧布设1对CPⅡ点。由于在坐标转换时需要三维坐标点，因此采用水准仪对每个导线点高程进行了测量。为了提高拼接精度，本次扫描采用的拼接方式为每段导线点之间的范围内进行坐标的转换。同时，由于该扫描仪的扫描标靶的精度受距离的影响，离测站距离越远，标靶拟合的精度越低，因此本项目最后确定的标靶距离为30 m处，布设4个标靶。

2 基于RTC360隧道点云获取技术

RTC360是瑞士徕卡公司推出的一款短距离地面三维激光扫描仪，该扫描仪的工作温度为-5~40℃之间，测距距离为0.5~130 m。扫描范围水平为360×60°，即水平360°，垂直方向为-300~300°。

该款扫描仪具有高性能、中型尺寸、轻量化的特点，主要用于高密度三维点云和高分辨率全景照片的现实捕捉，单站作业时间短，即扫即走，减少扫描等待时间。同时，该扫描仪集成多种传感器，基于IMU的倾斜补偿，扫描无需整平，支持不同角度扫描，外业测量任务更简单。该扫描仪扫描速度可以达到200万点/s，点位精度高达1.9 mm，测角精度18"，测距精度达到1 mm+10 ppm。

2.1 外业数据获取流程

数据的采集过程可分为：现场踏勘、标靶布设和激光扫描3个部分。

2.1.1 现场踏勘

在地面三维激光扫描中，扫描站点布设的优劣直接影响项目的工期和成本以及后期数据处理的进度。因此，在地面激光扫描中需要进行站点的规划布设，站点布设的原则如下：

（1）确保在各扫描位置获得的数据能够覆盖完整的扫描区域。

（2）在得到完整数据的前提下，应尽量选择较少的扫描站数，以减少搬站次数。

（3）相邻测站之间必须至少布设4个控制点标靶，并保证这些标靶能在相邻两站扫描中可视。

（4）确保布设的标靶在扫描过程中不被遮挡。

2.1.2 标靶布设

由于受限于隧道内的光线，采用RTC360三维激光扫描仪时，全景照片获取的效果较差，因此在外业扫描时，为了提高工作效率，关闭了全景相片获取的功能。

根据踏勘时制定的扫描方案、现场环境和通视情况布设标靶。由于后期点云数据处理中需要根据标靶进行扫描站之间的拼接、扫描站坐标系与工程独立坐标系进行转换，所以标靶应尽量在扫描范围内均匀布设，起到控制作用，减小误差。当扫描需要多站时，连续两站之间应该有至少3个公共标靶（为了提高拼接精度，应多布设4个以上公共标靶），同时这4个标靶的布设不能在1条线上，尽量构成大地四边形形状，以提高拼接精度，现场标靶的布设示意图如图1所示。

图1 标靶布设示意图

2.1.3 激光扫描

确定好标靶布设位置后，就可以采用RTC360三维激光扫描仪进行扫描，其提供了几种扫描方法，为了能够更好地获取得到标靶的中心坐标，本次扫描采用最高密度的点云进行扫描。单站点云扫描如图2所示。

图2 点云扫描效果图

2.2 扫描点云数据处理及数据拼接

2.2.1 冗余数据的裁剪

由于受标靶以及点云密度的影响，距离扫描仪越远处，点云精度及密度越差，因此在进行数据拼接前，将冗余的数据进行剔除，减少数据量。本项目只保留了扫描仪测站前后35 m的点云数据，图3为裁剪后的单站数据。

图3 点云裁剪后的效果图

2.2.2 数据拼接原理

激光扫描时，每一扫描站点数据都有自己的坐标系统，为了能将各站点的坐标系统统一到一个坐标系统下，就需要各站扫描数据进行拼接和配准。

目前点云数据的配准主要有两种方法：第一种主要是利用高精度的测量设备，如全站仪来获取多站点云之间的转换关系。这种配准的原理是在扫描物体的周围布设至少3个控制标靶，并且扫描仪在扫描时能够自动扫描到控制标靶；同时采用全站仪测量出控制标靶的中心坐标。通过这2组数据（即扫描仪扫描的标靶拟合的中心点和全站仪测量的标靶数据中心点坐标）就能计算出转换关系的参数，即基于地理坐标的拼接方法。

另一种是利用三维激光扫描仪所获取的地物特征来计算各扫描站之间的转换关系。这种方法是在采集后，通过选取明显的公共特征点（如本项目中布设的特制标靶）作为匹配的目标，至少寻找3对公共特征点来计算出转换关系的参数，即基于同名点的拼接方法。对于要求高精度的项目推荐使用全站仪测量标靶中心坐标的方式进行拼接。

本次扫描采用2种方法相结合的方式进行，即2段导线点之间的测站采用布设的公共标靶的方式进行拼接，每个测段一般控制在9站左右。待该测段内9站数据拼好后，再采用前后4个导线的坐标，将扫描仪测站坐标转换到工程独立坐标系下。

2.2.3 数据拼接方法

本项目的扫描数据拼接在徕卡cyclone软件下进行，具体流程如下：

执行Create＞Registration。数据库列表中将会出现一个带有标靶符号的图标，添加需要拼接的站点文件和控制点文件。如果标靶和控制点能一一对应上，这一步不会弹出任何错误警告，否则需要检查标靶名称和控制点名称是否有误、扫描站点是否缺少标靶。设置homescanword，一般把控制点文件作为参考。然后选择Constriant List，在Registraion中选择Register，查看转换误差，一般该误差在3 mm左右。

在Registraion窗口下依次选择Create scanwod/Freeze Registration。这一步的目的是锁定住当前拼接关系，并打开拼接好的点云数据。到此数据转换工作完成。图4为两站数据重叠部分拼接后的点云断面图（不同颜色代表不同的测站数据）

图4 两站点云拼接后图

拼接完成后可以通过控制点列表查看站点拼接的精度，图5为站点间拼接后的精度指标。

图5 拼接精度列表

从图5和图6可以看出，本次站点之间的拼接精度较高，满足测量规范中的要求。

图6 两测站搭接数据的拼接后断面图

3 基于激光点云数据的断面提取

隧道断面点云数据拼接及噪点处理后，就可以结合设计线位进行断面的提取。本次隧道断面的采集采用徕卡本地化软件，在徕卡隧道变形监测系统软件中进行。具体方法如下：

（1）打开HDS程序，在设计数据处导入设计轴线，如图7、图8所示。

图7 导入设计线位

图8 设计线位显示

（2）在参考测期窗口处选择导入点云数据，如图9、图10所示，此时要保证点云数据的路径是英文路径。

图9 加载点云数据

图10 叠加点云和线位效果图

（3）导入点云数据后，在参考测期处选择生成横断面（选择点云数据的起始和终止里程及其他参数，如图11所示。

图11 采集断面参数设置

（4）在工具中选择隧道净空设置选项，输入净空的计算参数，如图12-图14所示。

图12 隧道净空设置

图14 采集得到断面图

（5）在左侧选项卡中全选所有生成的横断面，在工具中选择隧道净空计算，如图15所示。

同时该软件还可以导出断面的Excel数据。通过上述步骤，得到隧道三维扫描净空成果，及断面扫描成果，可在下一步施工中作为参考资料。

4 结束语

三维激光扫描技术具有很强的工程适用性，在隧道断面采集方面，三维激光扫描技术具有重要的理论及现实意义，有着巨大的应用潜力。传统的断面采集方法费时、费力，同时在某些情况下还难以获取令人满意的结果。将三维激光扫描技术引入到隧道工程领域，对隧道的断面采集以及净空分析方面有着传统测量方法难以比拟的优势。另外，这种新技术的引入大大降低了调查人员的劳动强度，提高了工作效率。通过本次实验，可以得出，采用RTC360扫描仪对隧道进行扫描，能够满足隧道净空三维激光扫描对测量精度的要求。

图13 断面参数设置图

图15 隧道净空分析图