天宝三维激光扫描仪在防空洞测量中的应用

吕国娟，王传先，刘平利，张鸿祥

（1.河南省地质科学研究所，河南 郑州 450001；2.河南省城市地质工程技术研究中心，河南 郑州 450001；3.河南省地质调查院，河南 郑州 450001）

20世纪70年代国内很多城市都建设了一定数量的地下防空洞。这些防空洞内部年久失修，存在洞壁破损、漏水、倒塌、淤埋等现象，不仅会威胁进入防空洞工作人员的人身安全，还会对地表建筑、行人、行车安全产生隐患。因此，需要对地下防空洞进行维修、灌浆等工程设计和施工。灌浆方数测量、维修面面积测量等是首先需要解决的问题，传统测量采用全站仪断面测量法。本文利用天宝SX10三维激光扫描仪进行防空洞测量，并与传统测量方法进行了比较。人防工程建筑公司委托河南省地质科学研究所进行灌浆容积计算和防空洞内部空间位置与形状测量，涉及防空洞长度2.6 km，防空洞内部支洞分布较多、淤埋较多。

1 传统全站仪断面测量法

1）导线测量。采用TOPCON型0.5″全站仪对预先埋设的图根点进行边角测量，路线在防空洞两端出口处与已知点附和形成附和路线，共设计图根点9个，采用南方平差易进行计算。

2）平面和断面测量。利用全站仪在防空洞内进行碎步点测量，采集防空洞的特征点，绘制洞内平面图，掌握防空洞的走向、形状；同时在防空洞空间大小突变和走向发生变化的位置进行防空洞断面测量，为容积计算提供基础数据。本次工作测量断面15个[1]。

3）容积计算。根据所测断面进行断面面积计算，把整个防空洞分割成若干个形态相对规则的形体进行计算。由于防空洞内部为人工设计，防空洞内部形态较规则，面积计算相对简单，可直接转换成圆锥、圆柱或半圆柱体的体积计算，从而得到洞内容积[2]。

2 天宝SX10三维激光扫描法

2.1 导线测量

由于天宝SX10三维激光扫描仪具有全站仪功能，且精度完全能满足要求，因此本文采用天宝SX10三维激光扫描仪对预先埋设的图根点进行边角测量，路线在防空洞两端出口处与已知点附和形成附和路线，共设计图根点9个，采用南方平差易进行计算。

2.2 三维扫描

天宝SX10三维激光扫描仪具备高端全站仪功能和近景拍摄测量技术功能，可为测绘、工程、扫描等专业工作人员提供先进的解决方案，在一定意义上重新定义了专业测量设备和作业方式。天宝SX10三维激光扫描仪能采集各种组合的高密度和高精度3D扫描成果数据、高精度全站仪数据，使得工作人员在控制测量时能获得所需成果、在大量任务中节省时间和人力[3]。天宝的闪电3DM技术，使天宝SX10三维激光扫描仪能同时获得高精度的全站仪测绘数据和精准的高速度三维扫描影像，比以往更高效。系统设计的新技术，使天宝SX10三维激光扫描仪可提供更高精度、更大效益和更丰富的细节。天宝SX10三维激光扫描仪与Trimble Access、Trimble Business Center软件的完美结合，使得工作人员更容易熟悉和高效进入测量工作流，能更快地进入工作状态，顺利开展工作[4]。本次防空洞测量长度为2.6 km。三维影像扫描点云渲染如图1所示。

图1 三维影像扫描点云渲染图

天宝SX10三维激光扫描仪在复杂的空间和现场对物体表面情况进行激光光束快速扫描，获得物体表面的方位角、天顶距、斜距和反射强度等，仪器系统会自动存储并计算，获得点云数据每个点的点位坐标，属于激光测距仪和激光角度测量仪的自动快速化系统组合[5]。天宝SX10三维激光扫描仪的最远距离可达数千米，扫描频率可达每秒几十万次，几乎可无死角进行全面扫描。通过专业传输软件，可把数据传输到电脑，对点云数据进行计算机数据处理，形成可视化三维点云数据；可将物体的表面特征以点的方式显示出来，并能马上提取测量每个点位的坐标；还可对点云数据进行转换，快速提取所需数据到CAD软件下进行操作，构建被测物体的三维模型以及线、面、体、空间等各种制图数据。

扫描操作过程与全站仪原理相同，均利用图根点设站定向原理完成，可保证测量结果的准确性，避免手持三维激光扫描仪产生较大误差[6]。扫描点云数据如图2所示。

图2 天宝SX10三维激光扫描点云数据

2.3 容积计算

相对于传统测量方法，天宝SX10三维激光扫描仪的容积计算更加准确，特别是地物不规则时，更能显示容积计算的准确度。对于防空洞容积计算，利用天宝RealWorks软件从直观的点云数据中截取所需计算容积的长度，即可方便快捷地计算得到所截取段的容积[7]。

3 测量方法与精度比较

3.1 测量方法比较

1）存储方式由原来的平面数据形式转化为三维点云数据形式，数据的表现形式更加直观，数据查询和提取更加方便和快捷，更容易获取真正需要的数据信息。

2）天宝SX10三维激光扫描仪测量耗时比全站仪更短，而采集的数据量却更多，可在短时间内完成面扫描，获得大量的点云数据，能体现物体表面的每个细节，提高了数据计算精度。

3）测量过程不受环境明暗影响，避免了全站仪测量平面图需要在明亮环境下寻找特征点的弊端，在一定程度上减少了特征点漏测现象，实现了整个外业的非接触式测量，提高了工作效率。

4）传统全站仪测量是在测完平面图后再进行断面等测量，反复入场，存在大量重复工作；而天宝SX10三维激光扫描仪测量能一次性完成外业工作，后期所需数据可直接从外业采集完成的点云数据中提取，减少了大量多余工作量[8]。

5）由于防空洞内视线不好，很多塌方、淤埋现象不易被发现。三维激光扫描点云数据能将塌方位置、淤埋深度等信息直观地展现出来，并可直接提取塌方方数、淤埋深度和方量。

6）天宝SX10三维激光扫描仪的工作原理与全站仪相同，均通过图根点设站和定向来完成，外业测量精度主要由仪器自身精度指标决定，因此新仪器的引进完全能保证常规测量精度。

3.2 天宝SX10三维激光扫描仪测量精度分析

在防空洞测量中，本文将全站仪测量结果与天宝SX10三维激光扫描仪测量结果进行比较，提取两次测量数据的共同特征点，对平面和高程进行较差，结果如表1所示，可以看出，平面较差最大为0.036 m，高程较差最大为0.039 m，精度完全满足本次测量要求。

表1 防空洞测量精度统计表/m

4 结语

通过比较分析可知，天宝SX10三维激光扫描仪能使工作效率得到很大提升，三维点云数据存储形式能使数据的表现更加直观，能一次性完成外业工作，后期所需数据可直接从外业采集的点云数据中提取，减少了大量多余工作。三维激光扫描点云数据能将塌方位置、淤埋深度等信息直观地展现出来，且可直接提取塌方方数、淤埋深度和方量。通过比较提取的特征点坐标和高程发现，该方法的测量精度完全满足防空洞修复需求，提高了土方量和防空洞容积的计算精度，为防空洞的修复治理提供了准确的数据基础。