隧道工程检测中三维激光扫描技术的应用分析

李铁根

（甘肃交通职业技术学院，甘肃 兰州 730000）

随着我国经济进入新常态，新旧动能转换成为产业发展战略基点，城市基础设施建设成为推动经济发展的重要引擎，而产业升级与技术创新是推动经济增长的重要动力。然而，在当今世界范围内，我国基础设施建设不平衡、不充分问题仍然突出。基建领域主要包括交通基础设施、能源建设、水利基础设施等，我国基础设施建设投资规模逐年增加，截至2019 年年底，已有超过600 座城市正在大力实施基础设施建设。隧道工程学科在培养具备基础科学、专业基础理论、专业应用等方面能力的应用型专业人才具有十分重要的作用。随着国家铁路建设、基础设施建设发展迅速，工程建设规模不断扩大，隧道工程施工领域人才呈现供不应求的趋势，特别是高级工程技术人才，这就要求建设行业针对隧道工程建设领域加大人才培养力度，建立健全培养机制，并加强人才管理。同时，我国正在大力推动公路、铁路、城市轨道交通工程建设行业的改革，使之朝着市场化和现代化方向发展。未来，国家高铁建设将越来越专业化，而轨道交通建设是未来公路建设的重中之重，国家铁路规划将在2030 年前后全面建成。作为一项复杂的系统工程，隧道施工队伍在施工过程中面临着复杂、多变的地质环境条件和恶劣的通风条件，必须不断提高技术能力和项目管理能力。

1 三维激光扫描技术简介

三维激光扫描技术是一种利用低成本的激光进行测量的新技术，具有采集范围广、高精度、无噪声、可重复扫描等特点。三维激光扫描与传统方法相比有许多优势。例如，可采用不同方式、不同的激光点对点，以获得较高的精度、可靠性和可比性；利用图像软件可高精度、高效率、快速、低成本进行数据采集；可快速、高效地进行数据处理或地图制作。三维激光扫描主要是利用激光束（激光雷达）进行扫描测量工作，并将测量得到的图像存储到计算机服务器上进行实时数据分析处理。三维激光扫描主要有单轴激光扫描和多轴激光扫描两种方法。

1.1 单轴激光扫描

单轴激光扫描是一种非接触式的方法，不需要特殊的地面传感器或光学系统，由激光发射器发射和接收单轴激光脉冲。接收单轴激光脉冲时，激光束照射一个特定的点或者多个特定的点；单轴激光发射光，在光学系统中产生激光脉冲，如果该激光脉冲位于光学系统中特定控制点上，则可以控制其位置和方向。在单轴激光扫描中测量时间速度非常快。

1.2 激光测距

激光测距的原理与多波束测速类似，但多波束测速速度快，仅需两个激光脉冲通过一个小的接收器，使多个脉冲在一个脉冲上，所测数据非常准确。例如，在相同时间内测量距离的误差为-196～196cm。在实际测量中利用多波束测距时，通常采用几个波长组成连续波束和重复波束，同时也可在一个或多个脉冲之间采用多个波长组成连续波束，以得到完整的连续图像。为了更好地了解隧道内的结构特征和变形特征，我们可以在任何点上建立多个三维模型，因此，多波束测距可以更好地了解隧道工程结构特征。

1.3 数字几何测量法与三维激光测量法

两种方法都是通过设置边界对平面进行测量。测量过程中，使用测量装置控制激光照射测量区域，并检查其测量成果。随着激光技术的发展和创新，数字化技术在测绘行业中得到了广泛应用。目前，数字几何测量法可以应用于三维激光扫描和摄影测量。传统几何测量法不能直接用于测绘行业的数字化工作，但数字化测量可以对测量结果进行处理，并以高精度的方式显示。与传统图形测量方法相比，数字化测量法可以精确地测量高程、地形图、坐标系中的所有元素、控制点和图斑位置。

2 三维激光扫描技术的基本原理

激光扫描技术是通过在一定波长范围内，激光束照射到目标物体上，对目标物体进行全息成像，然后利用先进成像识别器提取目标物体形状与尺寸信息等，完成二维空间坐标检测工作，再利用三维激光图像对二维坐标进行分析，利用获取的空间数据进行三维定位测绘工作。三维激光扫描技术使用的激光设备种类较多，主要包括扫描仪、棱镜、准直仪等。三维激光扫描技术可以进行多目标检测与控制，测量时会根据实际测量情况，采用不同的扫描模式，以满足检测需求。由于其具有扫描速度快、范围大、数据处理效率高等特点，在各类地下工程发挥非常重要的作用。

2.1 三维激光成像原理

三维激光图像是在一定波长范围内，采用不同方向、不同角度的激光束，对物体进行连续照射，然后形成光学图像。在三维激光扫描图像中，激光信号会形成透镜效应，产生一系列衍射波形，这种现象会在激光中产生许多微小的光学衍射，这些小径状条纹组成了具有几何意义、能够被直接观测到的点云，而这些点云会在空间上显示出来。这些小物体因为激光束照射后折射出不同位置时，呈现出不同形态，为三维激光扫描图像提供二维成像的基础。

2.2 高程精度要求

隧道工程施工中，对隧道质量进行控制十分重要，通过三维激光扫描可以有效避免隧道工程施工中产生变形、错位等不良情况，对结构和基础结构起到保护作用，为隧道工程建设提供良好保障。三维激光扫描技术测量作业时间较短，因此，要求测量设备工作性能良好，以提高作业效率与精度，同时，其还具有一定的抗干扰性，可减少采集过程中的误差，以保证获得数据质量符合标准要求。三维激光扫描技术可广泛应用于地下隧道工程的质量控制工作。

2.3 隧道工程中常用的二次定向技术

二次定向技术主要是利用激光束根据三维激光图像的成像原理对测点进行定位，其原理主要有以下几种：（1）二次定向法可在相同探测距离内，比较两个测点的测距。（2）一次定向法是通过一定程度的多次测量得到测点间的距离信息。（3）一次定向法是通过分析观测点间的测距信息，得到测点间的距离信息和高程差信息。（4）二次定向法主要是利用三维激光扫描技术采集测点间距离信息后，利用二维点云信息对三维激光扫描模型进行编辑和处理，最后将图像转化为二维点云信息，得到二维立体地图。

2.4 测量设备

扫描仪是最常见、也是应用最广泛的设备，它能够完成各种测量工作，对各类工程测量起到非常重要的作用。

2.5 激光扫描模式

激光扫描仪扫描过程中，需要设置激光频率等参数，确定激光频率后，利用计算机将每个数据处理模块的输出结果记录在相应文件中，这就是激光扫描模式。其中，软件中可设置一个主操作界面，以接收数据并运行，在主操作界面中设置一个坐标模型，在操作界面中设置不同的参数，如参数设置数量、参数设置时间间隔等。这些参数都会影响最终的信息显示工作，通过设置这些参数，可以对每个模块设定相应的扫描模式，以满足不同的检测需求。

3 隧道工程检测中三维激光扫描技术的应用现状

随着人们生活水平和质量的提高，很多大型城市基础设施和公共服务设施已经日趋完善，地下空间三维成像在国民经济发展中发挥着重要作用。

3.1 三维激光扫描的测量与验证

三维激光扫描是利用空间成像技术对地下空间进行测量的方法。在探测、测量过程中，要注意与已有测量仪器设备的有效结合，形成完整、系统的三维激光扫描系统，并对比分析实际测量结果与已有数据，验证自身技术水平和精度。但由于相关理论与工具不完善，目前，在实际测量中还存在许多问题，主要表现在：测试仪器比目标实际情况稍显复杂；仪器操作要求高；操作简单性不足。因此，必须提高测量精度，以保证整个工程数据的准确性。

3.2 三维探测仪器设备

三维激光扫描技术的探测仪器包括激光扫描仪、射频仪、全站仪等，主流的三维扫描仪有三维激光扫描仪、全站仪等。三维激光扫描仪主要用于地下空间检测，由于其具有精度高、能够快速自动采集成像信息等特点，可为工程建设提供精确、可靠的数据服务。随着先进的三维激光成像仪逐步投入使用，并大量应用于市政工程、公路基础等领域后，三维激光扫描技术用于地下空间检测已成为必然趋势。其中，激光扫描仪能快速采集成像数据，并利用计算机软件进行处理后，自动生成三维数据库，如图像分析软件、地理信息系统、三维扫描图像、三维坐标系统、三维建模和分析系统、三维扫描数据管理系统、三维模型数据库等。目前，采用三维激光扫描仪能在不同类型的地下空间中实现快速、精准探测。

3.3 虚拟建模

三维激光扫描技术的核心在于能以多尺度实时的三维立体空间关系为基础，在进行三维激光扫描时利用三维激光成像技术获得物体内多个像素点的数据，根据这些数据以三维模型为基础进行空间分析，生成符合结构形式和地质结构的模拟计算模型，同时生成整个地下空间的三维平面图、立体剖面图、地形图等，为工程设计提供参考依据。使用三维激光扫描技术能建立一个具有多分辨率、多时间尺度的三维模型，使三维模型能被任意角度、任意时间尺度实时扫描重建，并进行数据处理和分析。

3.4 三维测量平台

三维激光扫描系统是一种高精度、高速度、低成本、大规模的三维激光扫描设备，能完成精度为1cm 的全站仪三维扫描工作，同时能在全站仪三维扫描工作完成后，对三维成果进行自动三维显示和管理。目前，市面上三维激光扫描测量系统已有很多，如国外引进的ATV 测距扫描仪、美国Disclosure 公司的激光测距仪等。我国虽然从20 世纪90 年代开始研制激光测距仪，但目前国内三维激光扫描技术仍处于起步阶段，还没有达到可以全面应用于城市建设的水平。

3.5 三维激光测距技术

三维激光测距技术主要是利用激光对目标进行扫描，再计算出激光测距参数，通过计算得到目标与被测目标之间的距离，以确定整个地下空间是否满足设计要求及实际施工的间距。三维激光测距技术可通过测量地面位置信息，得到精确的距离，并进行三维建模分析、定位、计算被测目标，以达到设计要求。在城市建设中，三维激光测距技术能够用于城市重点区域的地下空间测绘监测工作，不仅可以为隧道及城市建设提供基础测绘数据资料，而且能为后续施工作业提供保障。

4 结语

三维激光扫描技术能够通过分析、定位、跟踪、测量等方法，获得隧道工程的三维坐标信息。由于该技术具有高效、稳定、精度高、可重复性好等优点，已成为隧道工程领域检测作业必不可少的测量设备。在隧道工程检测工作中，三维激光雷达仪可将整个检测过程中形成的三维图像直观地呈现出来。要想充分利用三维激光扫描技术，应以其为基础建立相应的测量规范体系、质量控制体系、技术标准体系、检测程序体系、数据统计方法体系等，以保证最终检测结果准确、可靠。