地下人防通道工程測量技術(shù)方法探討

孔莉明（太原市測繪研究院，山西 太原 030002）

0.引言

太原市雙塔寺地下人防通道修建于20世紀(jì)70年代。隨著時間的推移，受限于當(dāng)時的修建條件、使用材料、工藝水平的影響，該人防工程多處滲水，部分區(qū)域甚至發(fā)生了坍塌。因雙塔陵園需重新設(shè)計、建設(shè)公園，并可能將原地下人防通道開放使用，需將地下人防通道的平面位置、布局及埋深等基本信息準(zhǔn)確地測繪出來，以確保施工過程中對地下人防通道的保護。

雙塔寺地下人防通道環(huán)境惡劣，內(nèi)部無照明設(shè)備，空氣稀薄，局部有淤泥和封堵情況；布局錯綜復(fù)雜，和通道相連設(shè)有各類洞室。測量條件不理想，測量難度較大。且雙塔寺地下人防通道修建伊始，由多家單位聯(lián)合修建，受限于當(dāng)時的條件，本項目施測前無對地下通道平面位置描述準(zhǔn)確的圖紙及地下通道埋深等信息。為確保在本次施工過程中地下通道不被破壞，同時可能對地下人防通道進行開發(fā)利用、維護修繕，準(zhǔn)確了解地下通道的健康狀況，故急需測量地下人防通道的平面位置及布局、地下人防地表高程、洞頂高程、地下人防地表位置及埋深。

1.工程測量實施方案

通過分析已有資料、現(xiàn)場踏勘后，對該地下人防戰(zhàn)備工程測量技術(shù)方法進行研究探討，確定主要工作內(nèi)容為首級控制測量、導(dǎo)線測量、洞穴測量、示位測量、地面三維激光掃描測量等。具體包括E級GPS控制點測量，四等水準(zhǔn)測量；約6.2km地下三級導(dǎo)線測量；約6.2km地下人防通道及房間的平面位置測量、洞底和洞頂標(biāo)高測量；約6.2km定位地下人防通道的地表位置測量，計算埋深。

實施方案為現(xiàn)場踏勘、GPS控制點（導(dǎo)線點和水準(zhǔn)點）的選取與布設(shè)、各項地下人防戰(zhàn)備工程測量施測、測量數(shù)據(jù)處理、成果整理等，具體作業(yè)流程（如圖1所示）:

圖1 地下人防通道工程測量作業(yè)流程圖

2.地下人防通道施測技術(shù)路線

2.1 點位選取與布設(shè)

2.1.1 GPS控制點布設(shè)

依據(jù)項目設(shè)計要求，GPS控制點選取與布設(shè)應(yīng)滿足下列要求：GPS控制點點位應(yīng)選在土質(zhì)堅實、穩(wěn)固可靠的地方，且每個GPS控制點至少有1個通視方向，通視條件好，方便后續(xù)的導(dǎo)線測量；GPS控制點點位應(yīng)選在視野開闊，高度角在15°以上的范圍內(nèi)，無障礙物；點位附近不應(yīng)有強烈干擾接收衛(wèi)星信號的干擾源或強烈反射衛(wèi)星信號的物體；GPS點埋設(shè)選用7cm GPS專用觀測鋼釘直接釘入地面。

2.1.2 水準(zhǔn)點布設(shè)

本項目水準(zhǔn)點利用布設(shè)的GPS控制點。

2.1.3 導(dǎo)線點布設(shè)

依據(jù)項目設(shè)計要求，地下人防通道內(nèi)導(dǎo)線點的選取應(yīng)滿足下列要求：地下人防通道內(nèi)拐角較多，故選取導(dǎo)線點時在滿足規(guī)范要求的前提下應(yīng)盡可能地增大導(dǎo)線邊的長度，導(dǎo)線點宜選取在地下人防通道拐角、岔口處。經(jīng)現(xiàn)場踏勘，通道正中間為人防排水，導(dǎo)線點埋設(shè)時應(yīng)避開排水的溝渠蓋板；導(dǎo)線點埋設(shè)用10cm螺紋鋼釘直接釘入地面；點號依據(jù)前期踏勘時標(biāo)注的洞室標(biāo)號進行次級命名。

2.2 控制測量

2.2.1 平面控制測量

施測前，按要求制訂好觀測計劃，明確基本技術(shù)要求、GPS測站作業(yè)要求及觀察過程中禁止操作規(guī)定等。實際測量過程嚴(yán)格按照觀測計劃執(zhí)行，保證觀測質(zhì)量，輸出整理觀測成果數(shù)據(jù)。

本項目平面首級控制設(shè)計時擬采用GPS靜態(tài)觀測的方式進行，但在觀測完成后進行GPS解算時，發(fā)現(xiàn)部分點的觀測質(zhì)量一般，影響了靜態(tài)基線解算及平差。因受限于測區(qū)的條件，故實際施測時并未重新進行靜態(tài)觀測。而是采用單基準(zhǔn)站（TYCORS站）直接獲取控制點獨立坐標(biāo)（快速靜態(tài)）的方式并用全站儀觀測各控制點通視方向的角度、距離。經(jīng)過計算，這種方式獲取的控制點平面坐標(biāo)精度較好，本項目中用來代替原設(shè)計中的靜態(tài)觀測。通過快速靜態(tài)的測量方法，解算結(jié)果經(jīng)過實地測量驗證，精度良好，滿足要求。

2.2.2 高程控制測量

按照國家四等水準(zhǔn)測量要求，采用水準(zhǔn)測量的方法，與選取的已知二等水準(zhǔn)點進行聯(lián)測。

水準(zhǔn)測量的具體技術(shù)要求（如表1、表2所示）：

表1 水準(zhǔn)觀測的視線長度、前后視距差和視線高要求

表2 水準(zhǔn)觀測的限差

2.3 導(dǎo)線測量

地下人防通道無可用光源，本次導(dǎo)線測量配備專人進行照明工作，保證基座的對中、整平精度。

2.3.1 導(dǎo)線平面測量

為了提高觀測精度，本次選用0.5″級儀器進行導(dǎo)線測量，使用徠卡TS50測量機器人自動觀測。

水平角觀測采用方向觀測法，水平角精度要求（如表3所示）：

表3 水平角觀測要求

距離觀測精度要求（如表4所示）：

表4 水平角觀測要求

2.3.2 導(dǎo)線高程測量

垂直角及邊長測量要求（如表5所示）：

表5 垂直角及邊長測量要求

因地下人防在各個出入口處高差較大，垂直角觀測值容易超限。經(jīng)研究，本項目在地下人防出入口處觀測時增加了測回數(shù)。儀器在自動觀測時若觀測值超限，則立即報警并重新開始本測回觀測。高精度測量儀器的使用確保了本次導(dǎo)線測量及三角高程測量的觀測質(zhì)量。

2.4 洞室測量

三維激光掃描技術(shù)通過高速激光掃描測量的方法，以點云的形式獲取物體或地形表面的三維空間信息和反射率信息，能夠準(zhǔn)確獲取目標(biāo)對象的紋理信息。相較于與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法，該技術(shù)具有效率好、精度高、非接觸主動測量等優(yōu)勢，有效避免了傳統(tǒng)作業(yè)方式外業(yè)勞動強度大、時間長、重復(fù)測量、工作效率低等缺點，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術(shù)手段。

本項目的洞室測量采用三維激光掃描結(jié)合導(dǎo)線及碎部測量的方式，來確定洞室的相對位置及絕對位置。在布設(shè)的導(dǎo)線點上架設(shè)全站儀，采集人防洞室的關(guān)鍵節(jié)點，并在后期處理過程中與采集的碎部點坐標(biāo)相結(jié)合處理，以提高洞室的平面位置精度。三維激光掃描測量選用天寶TX5型三維激光掃描儀。

2.4.1 測站選取及儀器架設(shè)原則

（1）本次選取儀器有效掃描距離約測站前后視距20m，故測站間間距不宜超過35m，同時為確保工期，儀器架設(shè)距離不宜過短。

（2）在地下通道岔口處應(yīng)架設(shè)儀器。

（3）因三維激光掃描儀存在底部60°掃描盲區(qū)，為了盡可能減少掃描盲區(qū)對成果的影響，儀器不宜架設(shè)過高。

（4）架設(shè)儀器時應(yīng)將腳架底部螺旋旋轉(zhuǎn)至腳尖露出，檢查儀器底座的穩(wěn)定性、底座卡扣工作狀態(tài)、儀器與腳架的固定旋鈕、伸縮性腳架的固緊螺絲等，上述檢查完畢后將儀器安置在腳架上，并整平。

（5）每4-5測站需聯(lián)測洞內(nèi)導(dǎo)線點。

2.4.2 標(biāo)靶球擺放要求

測站間利用標(biāo)靶球和洞內(nèi)特征點進行拼接。標(biāo)靶球擺設(shè)不應(yīng)擺設(shè)為等邊三角形，測站前進方向應(yīng)確保有3個以上的特征點及標(biāo)靶球，以便后期的點云數(shù)據(jù)匹配。標(biāo)靶球擺設(shè)時應(yīng)避開本站掃描盲區(qū)并考慮下一站的儀器架設(shè)位置。

2.4.3 三維激光掃描

（1）技術(shù)指標(biāo)

主要利用三維激光掃描進行洞室及主洞的平面位置測量，依據(jù)規(guī)范要求及本次項目定級，三維激光掃描連續(xù)拼接次數(shù)不應(yīng)超過5次，故需在掃描中帶入部分控制點，以便后期點云數(shù)據(jù)的拼接及精度驗證。

三維激光掃描主要技術(shù)要求為：在掃描過程中，要求觀測人員記錄觀測起始時間后躲避至掃描有效范圍外，根據(jù)儀器預(yù)算掃描時間，計算當(dāng)前測站掃描結(jié)束時間，待掃描完成聽到儀器提示音后，方可靠近儀器。掃描完成后，根據(jù)屏幕顯示的掃描點云數(shù)據(jù)結(jié)果，粗略尋找標(biāo)靶球,確保能進行順利拼接。掃描時應(yīng)確保拐角、岔口處的掃描質(zhì)量。人防入口處應(yīng)掃描已知控制點，應(yīng)保證在1測站掃描3個以上控制點，以便后期點云數(shù)據(jù)的定位。

單測站掃描結(jié)束后，在儀器上對測站數(shù)據(jù)進行簡單的查看，主要查看內(nèi)容包括標(biāo)靶球是否全部掃描上，標(biāo)靶球在本測站的點云數(shù)據(jù)中是否清晰可見，拍攝照片過程中是否有人員走動，是否有手電等高亮度光源影響拍攝質(zhì)量等。若某一測站掃描質(zhì)量不佳，需重新進行掃描。

受洞內(nèi)環(huán)境、測量條件的限制，本次作業(yè)采用點云數(shù)據(jù)先整體拼接，后驗證精度的作業(yè)方式。將地下人防的三維激光掃描數(shù)據(jù)完全拼接、定位后，在點云數(shù)據(jù)里采集放置在導(dǎo)線點上的標(biāo)靶球坐標(biāo)。與經(jīng)過平差處理后的導(dǎo)線點坐標(biāo)進行比對（經(jīng)實驗研究確定比對密度為6 point/150m）。存在部分區(qū)域不能滿足6 point/150m的導(dǎo)線點比對密度，需外業(yè)全站儀采集部分洞室特征點，特征點應(yīng)采集特征線與地面相交處節(jié)點。

（2）數(shù)據(jù)處理

利用掃描時聯(lián)測的地表控制點及洞內(nèi)聯(lián)測的部分導(dǎo)線點進行點云數(shù)據(jù)的絕對定位。在絕對定位過程中發(fā)現(xiàn)，由于點云數(shù)據(jù)量較大，計算機無法運行。故本項目采用分段絕對定位的方式進行點云定位。點云絕對定位精度最大殘差為0.3m。由于殘差過大，不滿足本次測量的精度要求，故將點云拼接成果投影成圖片，將圖片導(dǎo)入到軟件中采集洞內(nèi)的輪廓，并將采集的輪廓與全站儀測量獲取的洞內(nèi)的碎部點結(jié)合，對洞室的平面絕對位置進行糾正。用這種后處理方式進行絕對定位，糾正后的人防洞室輪廓與外業(yè)實測的地表出入口、通風(fēng)口等擬合較好，經(jīng)過比對，最大誤差約0.13m，能夠滿足本次使用。

利用點云數(shù)據(jù)，采集洞室凈高變化處的洞內(nèi)凈高。結(jié)合洞內(nèi)布設(shè)導(dǎo)線點的三角高程信息及全站儀碎部點采集的洞室高程信息，來確定洞內(nèi)的頂高、底高。地表高程利用高分辨率航攝資料立體采集獲取，外業(yè)對部分航測點進行了檢核。重點采集地表覆蓋類型變化、高程變化處的地表高程信息。通過洞內(nèi)地面高程、洞室凈高（洞頂高程）、地表高程來反映地下人防的埋深信息。

2.5 示位測量

導(dǎo)線測量及洞室測量結(jié)束后，整理出地下人防的平面位置信息。利用RTK、全站儀對地下人防平面位置關(guān)鍵性節(jié)點進行定位，采集節(jié)點所在的地表高程，計算埋深。當(dāng)?shù)叵氯朔揽邕^建筑時，需如實采集人防線路上建筑物的散水及正負零高程。部分人防通道位于現(xiàn)狀施工區(qū)內(nèi)，在施工區(qū)內(nèi)的示位測量時，地面高程起伏較大，需在數(shù)據(jù)中備注說明。

2.6 精度評定

本項目中，由于數(shù)據(jù)量較大，測站數(shù)較多，通過軟件內(nèi)置的絕對定位功能進行定位的結(jié)果不能滿足要求（精度0.3m）。經(jīng)探討研究，采用后處理的定位方式，即點云拼接結(jié)束后，將點云拼接成果進行投影，輸出投影圖片（0.03m/pixel），采集投影圖片的輪廓信息，利用全站儀測量的洞內(nèi)特征點，進行洞室輪廓的糾正。糾正結(jié)果與地面實測的出入口、排氣孔、瞭望哨等進行比對。經(jīng)比對，最大偏差約13cm，滿足精度要求。

3.結(jié)束語

本項目涉及到的測量內(nèi)容較多，綜合性較強，實施過程采用了一些較新的測量技術(shù)和測量儀器，并嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確測定了地下人防通道的平面位置、布局及埋深等基本信息，保證成果滿足要求，為后續(xù)對雙塔寺地下人防通道保護工作的開展奠定基礎(chǔ)。