基于三維激光掃描技術的 隧道檢測技術研究

文選躍

隨著我國交通建設水平的不斷提高，隧道工程項目的規模與數量也有了較大的提升，在其施工中，隧道檢測是獲取隧道基本信息的重要環節，獲取的信息數據也會直接影響隧道的施工質量與施工安全性。目前三維激光掃描技術的應用范圍越來越廣，將該技術應用到隧道檢測中能夠使得隧道信息獲取與處理更為便捷、高效、可靠，而且還能夠利用三維展示將數據信息更加直觀地進行表達，從而幫助相關人員對隧道工程進行詳細的分析。基于此，本文就三維激光掃描技術的隧道檢測技術進行了分析。

三維激光掃描技術起源于20世紀90年代，近幾年在文物考古、建筑測繪、地形測量、交通事故調查等領域發揮著重要的作用。在隧道檢測技術的應用中。三維激光掃描技術主要利用的是激光測距的原理，其能夠快速且自動的獲取測得的點云數據，數據采集效率相比傳統的單點采集更高，也更加準確，對保障隧道工程項目的施工質量與施工安全發揮著重要的作用。

一、三維激光掃描技術

1.概念

三維激光掃描技術采用的是激光測距的原理實現非接觸、快速獲取地物目標的三維點云數據和紋理（影像）數據，并對采集到的數據進行處理后進行三維建模，以此可以將復雜環境下的結構數據以三維的形式展示給相關工作人員，為空間信息數據庫提供豐富的數據源。其在實際應用中主要使用的設備是三維激光掃描儀，在激光測距儀與反射棱鏡的支持下完成測距掃描，同時其還集成了激光掃描儀、數碼相機、軟件及附屬設備，測量速度較快，獲取的數據信息精確度也比較高。

2.運行原理

在三維激光掃描技術的實際應用中，首先需要激光測距儀發射激光，進入隧道的激光會發生反射，測距儀在接收反射回的激光信號，這一來回就完成了測距作業。之后建立起自定義坐標系，三維激光掃描儀發射器發射激光脈沖信號，激光脈沖信號進入到隧道中遇到自然物就會形成漫反射并最終反傳至接收器中，在此基礎上精準測量激光脈沖橫向與縱向掃描角度觀測值，最后運用標準處理軟件將所采集數據進行轉換。

3.特點

三維激光掃描技術具有如下特點，一是具有快速性，通過操作三維激光掃描儀就能夠對隧道內部空間進行快速的掃描，并得出數據信息，數據也會及時進行更新；二是采樣率比較高，掃描過程中可以大面積采集目標物體的表面信息，同時采集數據速度達到每秒幾萬點到幾百萬點之間；三是具有實時性、動態性、主動性，借助三維激光掃描儀，開展工作的時候不會受到光照、氣壓等外界條件的影響；四是具有非接觸性的特點，在隧道檢測中只需要借助三維激光掃描系統發射出的激光信號以及反射棱鏡發射和接收反射信號的方式就可以完成信息數據的采集，全程不需要測量人員接觸測量物體，在對環境復雜的隧道進行檢測時候，非接觸性也能夠大大保障測量人員的安全；五是具有全數字特征、自動化特點，三維激光掃描技術采集的信息具有數字特性，方便顯示輸出，而且可靠性好，在數據的采集、處理與建模過程中都呈現較明顯的自動化，比如：數據采集工作是通過TCP/IP或者平行連線接口來控制，數據處理與建模使用的是一些處理軟件等，而且掃描的三維信息數據具有兼容性，可操作性較好；六是系統擁有外置（或內置）數碼相機，對實地的目標物體選擇有較大幫助，也能夠適應多種不良環境，而且是由軟件通過平臺接口實現對數碼相機的控制，處理較為簡單；七是新型掃描系統擁有定位裝置，以便可以將掃描的點云數據直接輸出為絕對坐標，提高生產效率。由此可見，三維激光掃描技術的應用價值較高，在隧道檢測中更是有效提高了檢測質量與安全。

二、基于三維激光掃描技術的隧道檢測技術

1.隧道數據采集

隧道數據信息是隧道施工的基礎保障，在其采集過程中首先需要對隧道的實際情況有一個初步的了解，并以此確定三維激光掃描站點數與具體位，其中站點位置應該在其有效的掃描測程之內。隨后還需要確定隧道內的正北方向，并使其與掃描儀Y軸正方向形成夾角，三腳架臺面保持水平，然后以此為基點進行三維激光掃描工作，所得出的數據結果需要詳細進行記錄。三維掃描基點確定以后以全站儀對該基點三維坐標進行準確測量和記錄，從平面控制測量與高程控制測量兩個方面來進行控制測量，得出測量結果以后進行平差計算，并以此來得出較為精準的靶標點位。將三腳架設置在基點位置并使其保持制動狀態，對三腳架與微調掃描儀底座下方的圓水準器進行調節，始終保持其處水平狀態，然后打開電源并插入網線，然后利用掃描軟件確定儀器掃描區域的角度是否合適，采集間距是否準確，并設置好亮度、精度等參數后開始進行掃描工作，最終得到精確的隧道數據信息，采集完數據以后還需要將標靶的位置記錄下來。需要注意的是，在掃描工作中應該控制好掃描方式，掌握好掃描頻率，確保運用三維激光掃描技術所獲取的隧道點云數據能夠組成完整的點云圖，滿足隧道檢測工作的多元化信息需求。

2.隧道數據處理

在隧道數據的采集環節中會得到點云數據，之后需要對其進行處理，具體包括了導入、噪聲去除、多視對齊、數據精簡、坐標轉換等環節，以此來確保數據信息的科學性，并以此來為隧道施工提供相應的數據支持。首先，需要將獲得的點云數據按照規范的數據處理流程導入到界面中，并將其中不存在聯系的點云數據篩選出來并清除，避免干擾問題，該環節就屬于噪聲去除；然后進行多視對齊，其主要目的就是為了將點云技術對齊與拼接，但是在掃描中經常會遇到掃描目標比較大得情況，或者掃描的環境比較復雜，在這種情況下還需要從不同的角度、不同的位置進行重復性掃描；除噪、多視對齊環節完成以后還需要對點云數據進行著色與渲染，其主要目的是獲得更加真實的數據效果，提高三維激光掃描技術的應用效果，一般來說，掃描工作中獲得的點云數據量比較龐大，曲面重構的效果以及隧道檢測的精確度也會受到一定影響，因此可以通過對點云數據的精簡處理來解決這樣以問題，一般常用的精簡方式為:平均精簡→在未處理的點云數據中每n個點中保留1個→按照一定距離精簡→完成精簡之后，需要注意的是，點與點之間的距離應該大于某一個固定值，這樣也可以最大程度上確保隧道檢測的精確性。之后在坐標轉換的過程中還需要確定坐標零點，并將其作為中心點確定相對坐標。需要注意的是，在坐標轉換以后還應該結合點云數據進行數據匹配拼接處理，點云數據的坐標點可以轉換至大地坐標系上。

3.隧道建模分析

在隧道數據采集以及隧道數據處理的基礎上還需要進行隧道建模，在建模過程中需要嚴格按照所采集到的點云數據以及經過處理后的高精確性的數據信息為基礎，以便確保建模的精準性。一般三維激光掃描儀獲取的隧道數據是以曲面的形式表現出來的，在曲面重構的基礎上可以完成三維模型的構件，相關建模人員可以結合隧道的實際情況，并利用Cyclone軟件進行建模，在此基礎上可以實現對整個隧道工程的全方位了解，并及時地調整施工方案等，在上述操作中，整個隧道的施工情況也能夠被明確掌握，在此基礎上進行施工不僅可以提高施工質量，也能夠保障施工安全。

三、結語

綜上所述，隧道檢測是當前隧道施工過程中的重要環節，檢測質量直接會影響隧道工程的施工質量以及施工安全，基于三維激光掃描技術的隧道檢測技術主要就是從隧道數據采集、隧道數據處理以及隧道建模等方面發揮作用，使得隧道檢測中能夠得到精準的數據信息，并以此為基礎實現隧道的三維建模，方便了相關施工人員對隧道施工方案的科學調整與優化，最大程度上保障了施工的安全性與施工質量。在未來的發展過程中，三維激光掃描技術的應用價值也會不斷提高，隧道檢測以及相關建筑施工在三維激光掃描及數的支持下也會實現進一步的發展，從而為現代社會的良好建設奠定堅實的基礎。