移动式三维激光扫描技术在公路隧道溶洞测量中的应用

聂 品

(广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

在喀斯特地貌区域线性工程隧道施工过程中，常常遭遇溶洞这一地质现象，如果在施工过程中处理不当，可能会引发塌方、涌水等地质灾害，既延长了施工工期，又会对施工人员的人身安全造成严重威胁。如何获取溶洞形态和规模的准确信息是溶洞处治的前提和难点[1]。然而由于洞内情况复杂，没有自然光线射入，通视条件差，排风不畅，空气质量差，且存在暗河和积水，传统的测量方法工作强度大、效率低、设备便携性差，工作方式存在严重的安全隐患，而且得到测量结果也仅为稀疏的几个点，只能反映洞内局部现象。移动式三维激光扫描技术的出现，为溶洞测量提供了新的解决方案。与传统的测量方法相比，该技术获取的测量点密度远远大于传统测量方法，有扫描范围大、精度高、无需接触测量目标的优点。本文针对传统溶洞测量方法存在的问题，分析了移动式三维激光扫描系统的构成和在隧道溶洞中测量的工作原理，并在实际工程中进行了实践应用。结果证明，使用移动式激光扫描的方法行之有效，生成的溶洞模型可直接与CAD、BIM建模软件无缝对接，为后续的溶洞治理施工提供了强有力的数据支撑。

1 移动式三维激光扫描仪技术原理与系统组成

移动式激光扫描仪一般由激光传感器、相机传感器、惯性测量单元等设备组成。本文采用英国GeoSLAM公司生产的便携式三维激光扫描仪ZEB-HORIZON对位于广西喀斯特地貌地区正在施工中的某公路隧道溶洞进行三维激光扫描，该扫描仪具有测程长、精度高、重量轻的特点，每秒可获取30万点的点云数据。仪器具体参数如表1所示[2]。

表1 移动式三维激光扫描仪参数表

移动式三维激光扫描仪利用激光器发射激光，激光到达溶洞洞顶和洞壁后反射到激光器，从而得到激光扫描仪与探测点之间的距离关系，同时仪器的惯性测量单元记录仪器姿态和相对坐标信息，通过距离关系和位置信息即可得到观测物体的相对坐标。扫描过程中，随着测量人员手持扫描仪不停地移动，就可以不断获得被测量地物相对扫描仪的位置坐标。根据即时定位与地图构建算法(Simultaneous Localization and Mapping，SLAM)将所有的测量点云坐标映射到同一相对坐标系下，即可得到被测量地物的空间轮廓[3]。

2 数据获取和处理流程

溶洞三维激光扫描测量工作主要可分为外业测量数据获取和点云数据建模两部分。外业测量数据获取主要包含数据获取、点云抽稀、数据滤波、去除体外孤点、去除非连接项等工作；点云数据建模主要包含三维模型重建、删除钉状物、填补漏洞等工作。下页图1为工作流程图。

图1 移动式三维激光点云模型工作流程图

2.1 点云数据获取

扫描前需要收集测区资料，制定路线计划，避免重复扫描，产生冗余激光点。本次扫描溶洞位于广西喀斯特地貌地区正在施工中的公路隧道旁，溶洞洞口尺寸约为6 m×12 m，溶洞洞口周边围岩较破碎呈镶嵌状，且局部夹泥，溶洞内比较潮湿。为了让点云成果坐标与工程建设成果坐标相一致，在测量前需要结合地形情况在溶洞洞口附近或洞内布置3个控制点，正式开始测量前需将三维激光扫描仪放置在控制点上获取相对坐标。扫描过程中要避免过分抖动，防止数据异常，测量扫描路线要尽量闭合，以减小测量误差。扫描完成后需要联合控制点坐标对数据进行解算，获取在绝对坐标系统下的点云数据。

2.2 点云处理

由于三维激光扫描仪的高速扫描特性，产生了大量冗余的激光点，为了能够提升点云处理效率，要在保证点云形态不变的情况下，对点云进行抽稀处理，减少重复点云数量，提高处理效率。

由于受到测量环境中存在的水蒸气、粉尘和仪器本身存在误差等客观因素影响，会产生大量的噪点和异常点，需借助三维点云处理工具裁剪出溶洞区域的点云数据，随后对裁剪好的点云进行滤波、删除点云的体外孤点、删除非连接项等。将噪声点去除后，可使点云形态贴近溶洞实际形态。

2.3 三维建模

点云处理好后进行封装处理，首先由点云生成若干个三角格网面，再由格网面构成三维模型。生成的初始封装模型中依然存在着大量的钉状物和空面，需要进行精细化处理，借助模型重建软件对模型进行表面平滑和缺失数据填充等工作，使模型的可视化表达更为合理，如图2所示。最后将三维模型以dxf格式存储，方便下一步在BIM建模软件进行扩展使用。

(a)初始封装模型

2.4 溶洞三维模型的扩展应用

(1)横纵断面图的生成

根据公路线形和施工设计需求，可以生成相应里程的横纵断面图，在工作中，重点区域可采取每隔1 m生成一个纵断面图和一个横断面图的方式，方便设计和施工人员下一步使用。见图3。

图3 断面图生成示意图

(2)模型的三维展示

将溶洞的三维模型与隧道的设计线位进行叠加，叠加后能够清晰反映溶洞和隧道的三维位置关系，可以从软件中量取溶洞的长、宽、高、体积等数据，为下一步的灾害处治工作和工程施工提供决策依据。见后页图4。

图4 溶洞模型图

3 结语

溶洞是公路隧道建设中存在的重大安全隐患，本文采用三维激光扫描仪对隧道溶洞进行了三维激光测量与建模工作，在得到溶洞形状和位置信息的同时，大大提高了测量工作效率。通过工程实践结果表明，使用移动式三维激光扫描仪重构溶洞三维模型方法合理有效，具有效率高、探测范围广、成本低廉、作业方式灵活、数据利用率高等特点，说明该方法可以作为一种有效的溶洞测量方式，服务于交通工程设计与施工。