基于三維激光掃描技術(shù)的隧道斷面線提取方法研究

范 煒

（安徽省蕪湖縣自然資源和規(guī)劃局，安徽 蕪湖 241100）

三維激光掃描技術(shù)是一種非接觸快速主動獲取三維空間信息的技術(shù)，不受天氣影響24 h作業(yè)，每秒鐘能夠獲取至少幾十萬上百萬個點云數(shù)據(jù)，由于其作業(yè)效率高，因此在諸多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[1]。隧道變形監(jiān)測一直是隧道及地下工程險情預警的重要手段，三維激光掃描技術(shù)能夠高效獲取隧道高精度點云數(shù)據(jù)，有效解決了隧道傳統(tǒng)測量工作量大、效率低、特征數(shù)據(jù)少、成本高等問題。

斷面線提取一直是隧道變形監(jiān)測的重要內(nèi)容，如何能高精度提取隧道斷面線信息一直是隧道變形檢測的重要內(nèi)容，常規(guī)的斷面線提取方法一般有兩種，一種是全站儀觀測，將觀測數(shù)據(jù)導入CASS等軟件繪制斷面線，這種方法最大局限性在于全站儀測量數(shù)據(jù)有限，只能獲取少量特征數(shù)據(jù)，因此整體精度不高[2-3]。而目前使用三維激光掃描儀提取斷面線方法主要是對點云切片，通過切片方式擬合斷面線，但是這種方法忽視了點云缺失情況，在隧道內(nèi)壁常附著大量水漬，這些水漬會導致隧道點云部分缺失[4]，同樣影響整體精度。本文提出一種針對點云數(shù)據(jù)構(gòu)建三角網(wǎng)擬合高精度三維模型，在點云缺失模型無法擬合區(qū)域進行孔洞修補，最后借助polyworks軟件采用模型快速自動提取連續(xù)斷面線的方法。

1 點云數(shù)據(jù)采集與預處理

本次項目實例驗證為某穿山隧道，隧道上方為山體，山體以巖石為主，局部為土質(zhì)山體，坡度較大，因此極易發(fā)生自然災害，對山體下方穿山隧道有一定影響，本次主要是采集隧道斷面線數(shù)據(jù)，根據(jù)斷面線數(shù)據(jù)與已有的設(shè)計數(shù)據(jù)對比，從而分析隧道變形情況。

外業(yè)進行點云數(shù)據(jù)采集時首先要進行踏勘選點，以確定設(shè)站次數(shù)、靶球的位置等，從而制定最優(yōu)的數(shù)據(jù)采集方案[5]。掃描站點的布設(shè)時，需要考慮到掃描儀的最佳數(shù)據(jù)采集范圍，以保證在合理的范圍內(nèi)都能獲取高精度的點云數(shù)據(jù)。此外，相鄰兩站還應(yīng)保證足夠的重疊區(qū)域，以方便后期重疊區(qū)域的數(shù)據(jù)拼接。如果點云數(shù)據(jù)要轉(zhuǎn)換到絕對坐標系下，要考慮到控制點位置問題，控制點要均勻分布在待測目標附近，以提高轉(zhuǎn)換精度。地面三維激光掃描儀外業(yè)數(shù)據(jù)采集時最主要考慮到標靶和目標物的遮擋，由于后期點云數(shù)據(jù)處理時兩個測站間至少需要3個公共靶標，因此，每站數(shù)據(jù)采集時需要考慮到靶標是否完全被至少兩個測站采集到[6]。外業(yè)點云數(shù)據(jù)采集如圖1所示。

圖1 外業(yè)點云數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集的原始數(shù)據(jù)需要進行預處理操作，包括點云配準-分割-去噪-精簡等操作，配準主要是將不同視角點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標系下，分割的目的是為了獲取目標物數(shù)據(jù)，去噪是為了去除行人、車輛、飛鳥等外業(yè)干擾的點云數(shù)據(jù)，點云精簡是為了提高后續(xù)點云處理分析效率。預處理后的點云數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 預處理后的點云數(shù)據(jù)

2 三維模型重建及孔洞修補

將預處理后的點云數(shù)據(jù)首先構(gòu)建三角網(wǎng)，構(gòu)建三角網(wǎng)的方法選擇Delaunay算法，通過三角網(wǎng)構(gòu)建三維模型有助于判斷隧道點云的完整性，是繪制斷面線進行后續(xù)分析的基礎(chǔ)。首先，初始化臨時邊集、臨時三角形集以及三角形集合，構(gòu)建一個超級三角形，將所有點都包含其中；其次，游離所有的點進行判斷，它是否在臨時三角形內(nèi)，如果在臨時三角形右邊，則將這個臨時三角形移動到三角形集合中，如果在內(nèi)部則刪除該三角形，同時將其的三條邊移動到臨時邊集合中；然后，將點與所有臨時邊集合構(gòu)成的三角網(wǎng)放入臨時三角形集合中，返回步驟2直到所有點遍歷結(jié)束；最后，得到三角網(wǎng)集合即Delaunay三角網(wǎng)。三角網(wǎng)精度和點密度有關(guān)，傳統(tǒng)測量儀器如全站儀和RTK，平均點間距都是以米為單位，而以三維激光掃描獲取的點云數(shù)據(jù)，相鄰點間距都是以毫米為單位，因此，構(gòu)建三角網(wǎng)模型，三維激光掃描技術(shù)更有優(yōu)勢。根據(jù)隧道點云構(gòu)建三維模型如圖3所示。

圖3 根據(jù)隧道點云構(gòu)建三維模型

根據(jù)點云數(shù)據(jù)生成的隧道模型整體效果較好，但是通過模型細節(jié)可以看到由于野外采集遮擋導致部分點云缺失，因此，構(gòu)建的三維模型出現(xiàn)一些孔洞，這些孔洞的存在容易導致斷面線提取時不連續(xù)的情況，這樣的斷面線不符合測繪規(guī)范，因此在使用三維模型提取斷面線時，還需要對空洞進行填補，首先找到三維模型當中所有的孔洞，對于每一個孔洞，找出其所有的半邊然后對其進行排序；對排序過的所有的半邊，找到角度最小的兩條邊，增加第三條邊，形成新的三角面片，如此迭代完成所有孔洞修補。模型孔洞如圖4所示。

圖4 模型孔洞

為修補模型孔洞，將生成的三維模型導出為.obj格式，由于geomagic studio軟件有模型空洞修補功能，將.obj格式三維模型導入到該軟件中，設(shè)置好模型修復方式，進行模型孔洞修補，修補效果如圖5所示。

圖5 模型孔洞修補

深色標記部分為空洞缺失區(qū)域，通過圖5可以看出空洞基本都已填補完整。

3 隧道斷面線生成

隧道斷面線生成需要借助polyworks軟件，polyworks軟件是一款能處理點云和模型軟件，常應(yīng)用于3D掃描、逆向工程和檢測、設(shè)計等領(lǐng)域，是一款點云檢測和硬探測為一體的混合測量軟件。完成隧道模型孔洞修補后，將模型導入到polyworks軟件中，設(shè)置斷面線起始位置和間距，主要是針對設(shè)置好的間距進行三維點云的平板分割，每次只能分割出一個平面，再根據(jù)切片好的點云數(shù)據(jù)，使用B樣條進行點云曲線擬合，首先主元素分析法PCA初始化B樣條曲線，然后擬合B樣條曲線，之后循環(huán)初始化B樣條曲線，最后擬合B樣條曲線，可以自動生成斷面線，效果如圖6所示。

圖6 斷面線效果圖

將生成的斷面線輸出為.dwg格式，可以測量斷面測點的橫距和高差，通過兩項測量數(shù)據(jù)與設(shè)計尺寸對比，方便對隧道變形情況進行檢查。此外，還可以直接在.dwg斷面線中提取中線點坐標，轉(zhuǎn)換為.dat格式，展點到CASS軟件中，連接線后可作為橫斷面劃分依據(jù)。

4 結(jié)語

本文針對三維激光掃描技術(shù)對隧道斷面線提取進行研究，針對傳統(tǒng)點云切片擬合斷面線出現(xiàn)缺失、不連續(xù)問題，將點云先建立三維模型，并對三維模型進行孔洞修補，再根據(jù)填補完孔洞的三維模型進行斷面線提取，提取效率高自動化程度強，在時間和經(jīng)濟成本以及成果精度上都有良好效果。