三維激光掃描技術(shù)在隧道竣工測(cè)量中的應(yīng)用

朱海山，李 勝

（1.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆維吾爾自治區(qū)測(cè)繪科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830002）

隧道斷面測(cè)量是隧道竣工測(cè)量中的一項(xiàng)重要工作，對(duì)于隧道施工的精度評(píng)價(jià)、隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)、驗(yàn)證設(shè)計(jì)線路符合程度等方面具有重要意義。傳統(tǒng)測(cè)量方法受采集手段的限制，存在采集速度慢、采集點(diǎn)數(shù)據(jù)量少、不能全面反映隧道的真實(shí)情況等缺陷。隨著激光掃描儀技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，其在精細(xì)三維數(shù)據(jù)建模方面具有數(shù)據(jù)精度高、采集速度快的優(yōu)勢(shì)，已被逐步應(yīng)用到工程測(cè)量的多個(gè)領(lǐng)域。將激光掃描儀技術(shù)應(yīng)用于隧道竣工測(cè)量，能大大提高隧道檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集速度和精度，并能提供詳盡的三維真實(shí)影像模型，直觀反映隧道內(nèi)部情況，是隧道檢測(cè)未來(lái)的發(fā)展方向。

1 作業(yè)方案選擇

通過(guò)分析隧道竣工測(cè)量的具體特點(diǎn)，對(duì)比市場(chǎng)上主流的掃描儀產(chǎn)品，本文選用天寶TX8 掃描儀（圖1）。該掃描儀憑借Trimble 獨(dú)有的Lightning TM 技術(shù)，具有360°×317°的視場(chǎng)角和100 萬(wàn)點(diǎn)/s 的數(shù)據(jù)獲取速度，且不受測(cè)程影響，能保證每個(gè)測(cè)站的測(cè)量在3 min 內(nèi)完成。由于天寶Lightning TM 技術(shù)受目標(biāo)表面類型和環(huán)境狀況變化影響很小，因此每個(gè)測(cè)站都可獲得具有良好完整性的數(shù)據(jù)結(jié)果。該掃描儀還具備業(yè)界先進(jìn)的內(nèi)部降噪和平滑技術(shù)，有效測(cè)量距離可達(dá)120 m（特定反射條件下）[1]。

天寶 TX8 掃描儀的內(nèi)業(yè)工作流程同樣十分高效，能獲取純凈、低噪聲的數(shù)據(jù)，大大減少了數(shù)據(jù)處理時(shí)間。天寶TX8 掃描儀獲取的數(shù)據(jù)可直接導(dǎo)入天寶RealWorks 處理軟件，進(jìn)而提供能導(dǎo)入主流CAD 軟件的高效數(shù)據(jù)流，并能輸出標(biāo)準(zhǔn)格式的點(diǎn)云成果，可輸入其他點(diǎn)云處理軟件進(jìn)行進(jìn)一步處理和利用[2]。

圖1 天寶TX8 掃描儀外觀

2 隧道竣工測(cè)量作業(yè)流程

隧道竣工測(cè)量的作業(yè)流程如圖2 所示。

圖2 隧道工程測(cè)量作業(yè)流程圖

2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

天寶TX8 掃描儀外業(yè)操作相對(duì)簡(jiǎn)單，儀器安裝在腳架上后置平，建立項(xiàng)目，設(shè)置掃描參數(shù)，即可開(kāi)始掃描。由于一般情形下需設(shè)置多個(gè)測(cè)站才能完成整個(gè)項(xiàng)目的測(cè)量，子項(xiàng)目之間需保證一定距離的重疊，需設(shè)置至少3 個(gè)球形或平面標(biāo)靶作為同名點(diǎn)銜接測(cè)站之間的數(shù)據(jù)（圖3、4）。為了實(shí)現(xiàn)激光掃描儀成果從自定義坐標(biāo)系到工程坐標(biāo)系的配準(zhǔn)，應(yīng)保證至少3 個(gè)靶標(biāo)具有工程坐標(biāo)系的精確坐標(biāo)。

圖3 隧道內(nèi)靶標(biāo)的設(shè)置

圖4 掃描子項(xiàng)目間的銜接

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理與坐標(biāo)配準(zhǔn)

測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入天寶RealWorks 處理軟件后，利用軟件提供的配準(zhǔn)方式對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和配準(zhǔn)，使各測(cè)站之間的數(shù)據(jù)拼合成一個(gè)整體，并從測(cè)站坐標(biāo)系糾正到統(tǒng)一的地理坐標(biāo)系中[2]。由于球形靶標(biāo)擬合球心坐標(biāo)在算法上具有更高的精度，因此隧道竣工測(cè)量中選用球形靶標(biāo)進(jìn)行測(cè)站定位。由生成的配準(zhǔn)報(bào)告可知，絕對(duì)坐標(biāo)配準(zhǔn)最大誤差約為3 mm，符合定位精度要求。

2.3 掃描數(shù)據(jù)編輯

在掃描儀獲得的數(shù)據(jù)中，由于存在大量不屬于隧道管壁的內(nèi)容，需在軟件中手動(dòng)剔除這些數(shù)據(jù)。手動(dòng)剔除需分段編輯、效率較低，本文開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的程序?qū)c(diǎn)云進(jìn)行剔除，能自動(dòng)刪除大部分無(wú)效數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)處理的效率，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.4 隧道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入

為實(shí)現(xiàn)隧道掃描數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)模型的對(duì)比，就需要建立隧道設(shè)計(jì)的三維模型，首先將隧道中心數(shù)據(jù)導(dǎo)入RealWorks 處理軟件，利用每米間隔三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)生成隧道中心的三維軸線；然后在垂直于軸線的平面上繪制一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)斷面；最后RealWorks 處理軟件根據(jù)上述兩個(gè)要素生成隧道的三維模型。

在RealWorks 主菜單Inspection 下選擇Surface to Model Inspection，進(jìn)入表面到模型檢查，根據(jù)需要設(shè)定斷面的間距、起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)以及采樣點(diǎn)的密度等參數(shù)，可得到批量斷面檢測(cè)結(jié)果。RealWorks處理軟件利用色彩來(lái)反映整個(gè)隧道模型不同程度的偏差。

2.5 成果輸出

雖然RealWorks 處理軟件可以生成斷面報(bào)告來(lái)顯示斷面各個(gè)位置的偏差，但對(duì)于隧道斷面尤其是圓形隧道斷面而言，更重要的是反映實(shí)際隧道斷面的準(zhǔn)確圓心坐標(biāo)以及它與設(shè)計(jì)圓心的偏差。為了使斷面檢測(cè)報(bào)告格式更加符合要求，本文將斷面提取數(shù)據(jù)導(dǎo)出到AutoCAD 中，再利用自己開(kāi)發(fā)的程序?qū)?dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行提取處理，生成所需的報(bào)告形式。

2.6 點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀

點(diǎn)云數(shù)據(jù)量較大，且由于目標(biāo)距離和角度的不同，點(diǎn)云密度也不均勻，有必要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行抽稀，從而大大減少點(diǎn)云的數(shù)據(jù)量，基本不損失數(shù)據(jù)精度，對(duì)于后期的數(shù)據(jù)處理效率至關(guān)重要。RealWorks 處理軟件提供了6 種抽稀方式：Spatial Sampling、Random Sampling、Scan-based Sampling、Intensity-based Sampling、Discontinuity-based Sampling 和Ground Extraction。其中Discontinuity-based Sampling 方式比較適合隧道內(nèi)的條件，得到的點(diǎn)云可最大限度地保證點(diǎn)云的數(shù)據(jù)精度，且不損失幾何特征點(diǎn)。

2.7 點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)過(guò)濾

在掃描儀采集數(shù)據(jù)的過(guò)程中，隧道中施工環(huán)境復(fù)雜，不可避免地參雜了一些無(wú)用數(shù)據(jù)，RealWorks 處理軟件提供了通用的點(diǎn)云編輯工具，但點(diǎn)云數(shù)據(jù)量非常大，手動(dòng)編輯效率較低（圖5）。本文通過(guò)分析點(diǎn)云文件格式，利用C sharp 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的程序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)LAS 格式點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件的高效讀取和處理[3]；通過(guò)三維坐標(biāo)和隧道設(shè)計(jì)軸線的數(shù)學(xué)關(guān)系，對(duì)無(wú)序點(diǎn)云進(jìn)行有序化管理，并實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)篩選，自動(dòng)剔除無(wú)效數(shù)據(jù)，減少了無(wú)用數(shù)據(jù)（圖6）；利用AutoCAD.NET 接口編寫(xiě)程序，自動(dòng)提取特定里程的斷面上的三維點(diǎn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)最小二乘法擬合出實(shí)際隧道斷面圓心坐標(biāo)，生成自定義格式的斷面檢查報(bào)告（圖7），大大提高了處理效率[4-5]。

圖5 原始點(diǎn)云

圖6 自動(dòng)篩選后的點(diǎn)云

圖7 程序自動(dòng)生成的隧道斷面檢查圖形

3 三維激光掃描技術(shù)在其他方面的應(yīng)用

RealWorks 處理軟件強(qiáng)大的表面對(duì)比分析功能，也可用于隧道變形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，通過(guò)與上一期隧道表面的對(duì)比，可迅速、詳細(xì)且準(zhǔn)確地反映隧道形變的位置和范圍，直觀表示隧道的變形值，在隧道的安全監(jiān)測(cè)中能發(fā)揮重要作用[6]。

在聯(lián)絡(luò)通道的施工過(guò)程中，利用激光掃描儀采集的三維數(shù)據(jù)建立三維立體模型[7]，并與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對(duì)比，可直觀反映聯(lián)絡(luò)通道的超欠挖情況，如圖8 所示。

圖8 三維模型反映聯(lián)絡(luò)通道超欠挖情況

4 結(jié) 語(yǔ)

與其他測(cè)量方式一樣，三維激光掃描儀獲得的數(shù)據(jù)的實(shí)際精度也受環(huán)境條件制約和影響，在測(cè)量過(guò)程中必須進(jìn)行有效的控制和篩選才能得到理想的數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術(shù)雖然精度高、數(shù)據(jù)獲取速度快，但數(shù)千萬(wàn)乃至上億個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算機(jī)硬件、軟件處理能力都提出了更高的要求。激光掃描儀硬件技術(shù)發(fā)展基本成熟，但應(yīng)用軟件的發(fā)展相對(duì)落后，若想利用激光掃描儀為工程測(cè)量服務(wù)，就必須擁有成熟的軟件，高效率地處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這還需要做大量的工作。