三維激光掃描技術在隧道限界測量中的應用

劉高奇 薛棟棟

摘要 通過在建隧道二襯斷面的全站儀測量方法和三維激光掃描方法獲取數據過程的介紹，經過數據去噪與加工，對所采集的數據進行對比，得出三維激光掃描在作業效率和精度上均取得了較好的結果，提出采用三維激光掃描儀作業在隧道限界測量中可取得較好的成果質量和經濟效益。

關鍵詞 三維激光掃描 限界測量 精度與效益比較

1 概述

隨著三維激光掃描技術的不斷提高，點云測量數據處理方法的改進，三維激光掃描設備單價的降低，以及隧道工程對建筑限界的要求越來越高，很多技術人員在隧道施工中積極的探索了使用三維激光掃描儀進行監測與二襯檢測[1-5]，并積累了大量的經驗，一些論文中做出了有意義的總結，通過全站儀測量數據與三維掃描儀測量數據做對比，提出兩者精度接近，可替換使用[6]。提出入射角超過60°掃描數據精度大幅降低，宜以60°為參考，結合隧道斷面內徑來選取設站間距[7]。控制測站間距不超過30m，間距差不超過1m，測站高度超過1.6m，且保證相鄰測站具有相同的測量順序[8]。本文依托興泉鐵路在建隧道，開展研究，總結在二襯施工后，如何利用三維激光掃描儀高效準確的測量凈空限界，并根據項目實際情況提出三維激光掃描儀的使用建議。

2 全站儀與三維激光掃描儀獲取數據的方法

2.1 全站儀獲取數據的方法

研究采用機載斷面監測程序控制儀器完成斷面測量，機載程序適用于免棱鏡功能全站儀;PC后處理軟件程序安裝在PC機上，用于數據的分析整理;全站儀設站方式為定向測量或后方交會，啟動該程序后輸入斷面里程，儀器將自動測量斷面。搜索范圍設置5m，所測里程5m范圍內自動尋找所測里程點，里程測量限差0.2m，測點在所測里程±0.2m內儀器儲存測點，測點間距為環向點間距，斷面上每50cm測量一個點，測量時，全站儀基本安置于所需測量斷面正下方，測量前后5m范圍3個斷面，使激光與反射面垂直，保證測量精度（如圖1）。研究段落共測量斷面20組，平均每斷面測點40個。

2.2 三維激光掃描儀獲取數據的方法

三維激光掃描通過水平方向、垂直方向快速 360°旋轉，結合激光測距原理，快速測定各測點距球心的距離，通過點云數據（單次測站百萬級以上個點構成，點與點間距毫米級），快速構建“復制”場景輪廓圖（如圖2）[9]。本次研究選用掃描儀為FARO M70，掃描前需全站儀利用洞內導線點定向傳遞掃描儀坐標和高程，對掃描儀左、右側棱鏡和圓棱鏡標靶進行進行坐標、高程測量，數據處理時轉換成絕對定位，使掃描成果與線路成果坐標系統和高程系統一致，（如圖2、圖3）。

3 數據處理

3.1 線路要素輸入

機載斷面儀和掃描儀平曲線輸入基本相同（線元法），機載斷面儀豎曲線輸入時半徑區分正負號（凹曲線為-，凸曲線為+），掃描儀輸入半徑時不區分正負號，設計斷面輸入相同（機載斷面儀為單個斷面計算超欠挖，掃描儀為連續、區域出圖更加方便）。

3.2 控制點選取

研究隧道為單線隧道，洞內狹小，為保證設站精度不選用后方交會，采用定向測量，主控制導線點為200m 1對布設，使用機載斷面儀測量時對所測范圍內每60m進行轉點，在每個轉點上架站進行斷面測量。三維激光掃描儀需全站儀傳遞坐標、高程，在主控制點上架設全站儀，在小于后視距離范圍內任意架設掃描進行測量[10]（如圖3）。

3.3 三維激光掃描儀數據去噪

三維激光掃描儀測量結果中不可避免地包含各種誤差，其中一部分誤差表現出噪聲特性，主動無接觸覆蓋式測量受環境干擾，可能產生非測量目標物體表面的無用數據和離群噪聲，物體表面的尖銳特征等使激光入射角劇變可能導致測量產生毛刺噪聲，無合作目標的激光測距方式必然產生細小的隨機噪聲。它們的存在影響整個點云數據的分析效率和精度，因此需要對其按照分布大小進行針對性的去除或調整。

外業去噪：測量時對遮擋物搬除，關閉風袋使噪聲成一條線，減小噪聲保證測量質量降低內業處理噪聲時間。

內業去噪：，點云數據處理后正射影像圖顯示紅色表示欠挖，正射影像圖顯示左側4m處欠挖，根據圖分析大面積欠挖屬于遮擋，打開3D影像直觀顯示欠挖部位，風管和水管遮擋導致欠挖（如圖4），大面積欠挖可在報表圖中注明，小面積遮擋欠挖可進行去噪處理。

3.4 數據對比

選取DK285+710-DK285+810作為測試區，掃描儀架設在DK285+760處，機載斷面儀架設在DK285+715、+730、+745、+760、+775、+790、+805里程處，每5米測量一個斷面，共測量10個斷面進行數據分析對比。其中掃描儀斷面圖環向點間距0.05m，機載斷面圖環向點間距0.5m，數據對比（如圖5，表1）：

數據分析：根據對比圖表可以得出，掃描儀架設位置前后20m所測精度在1cm內，且最小值出現的測點基本都在拱頂附近，也是儀器仰角較大的位置，證明了角度與距離對數據精度的影響較大。前后50m在距離相同的條件下的差值較大（8mm），但角度和距離變化不大，說明單純的考慮角度或者距離都無法取得理想的成果，綜合分析應以控制掃描距離在20m范圍內為宜。

3.5 三維激光掃描與全站儀作業效率對比

通過耗用人工、作業時間、操作難易、數據處理時間及數據精度等對比，三維激光掃描儀在作業效率上具有極大的優勢。

結語

經過試驗，三維激光掃描儀在距離與測量角度適宜的情況下，能夠取得較好的精度，滿足凈空限界的測量要求，且三維激光掃描儀在作業效率上是傳統全站儀機載斷面測量作業的幾倍至幾十倍，在數據成果上以點云數據體現，能夠截取任意斷面數據，表格與圖形展示內容更加豐富，能夠有效避免限界侵限測量的漏檢，同時為后續隧道成品展示的三維建模提供基礎數據，雖然目前三維激光掃描設備較昂貴，但是其作業效率與衍生產品對工程信息化管理都具有極高的意義，新建鐵路隧道施工也廣泛將該項技術應用作為強制性要求推廣，如何應用好該技術，使三維激光掃描技術更好的服務工程建設，是我們后續研究的方向。

參考文獻

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