三維激光掃描技術(shù)在人防隧道檢測(cè)中的應(yīng)用

林博文 黃 玲

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東廣州 510500）

作為當(dāng)前較為先進(jìn)的測(cè)量系統(tǒng)，三維激光掃描儀在不直接接觸物體表面的前提下，快速收集目標(biāo)物體表面的三維數(shù)據(jù)，具有速度快、分辨率高、信息容量大等特點(diǎn)，且部分掃描儀集合了攝影測(cè)量技術(shù)，可以獲取目標(biāo)物體的色彩數(shù)據(jù)，有利于后期配準(zhǔn)和建模等。此項(xiàng)測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)，改變傳統(tǒng)以點(diǎn)為主的測(cè)量形式，大幅度提高了精度和密度，也為隧道檢測(cè)提供了一個(gè)準(zhǔn)確、高效的新途徑[1-3]。

某地的人防隧道工程始建于20世紀(jì)70、80年代，是重要的人防設(shè)施。由于此隧道自建成至今已超過(guò)40年，原有圖紙資料不齊全且現(xiàn)狀情況不明。需要人防隧道進(jìn)行現(xiàn)狀摸查和綜合分析，為后續(xù)的維護(hù)及加固工作提供科學(xué)的依據(jù)。為準(zhǔn)確獲取隧道的走向、幾何尺寸和埋深等重要數(shù)據(jù)，在檢測(cè)過(guò)程中采用了三維激光掃描技術(shù)。

本文根據(jù)實(shí)際效果，綜合分析三維激光掃描技術(shù)在人防隧道檢測(cè)中的應(yīng)用效果和前景。

1 技術(shù)原理

三維激光掃描儀主要包括激光測(cè)距系統(tǒng)、分光棱鏡、水平角度穩(wěn)定器、垂直角度穩(wěn)定器[4]。工作原理是通過(guò)激光測(cè)距系統(tǒng)測(cè)得目標(biāo)點(diǎn)P與儀器所設(shè)中心點(diǎn)（坐標(biāo)原點(diǎn)）的斜距S，通過(guò)測(cè)得每個(gè)光斑的水平角度α和垂直角度β[5-6]。一般假定Y軸是儀器掃描方向，Z軸與水平面垂直，X軸通過(guò)右手直角坐標(biāo)系確定。

三維激光掃描儀坐標(biāo)計(jì)算原理如圖1所示。

圖1 三維激光掃描儀坐標(biāo)計(jì)算原理

由球坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換公式可計(jì)算得采樣點(diǎn)坐標(biāo)P（XP、YP、ZP），計(jì)算公式：

2 隧道三維掃描流程

2.1 現(xiàn)場(chǎng)踏勘

由于人防隧道區(qū)間距離長(zhǎng)，且寬度普遍在1～2 m，三維激光掃描儀無(wú)法一次掃描完成，需要架設(shè)多個(gè)測(cè)站。完成各測(cè)站掃描，點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要進(jìn)行配準(zhǔn)后才能進(jìn)行進(jìn)一步處理，此時(shí)，配準(zhǔn)精度直接決定了點(diǎn)云精度。在進(jìn)行三維掃描前需要先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)查勘，并根據(jù)隧道大致走向確定測(cè)站位置，確定棱鏡布置位置，盡量以棱鏡后視的形式進(jìn)行配準(zhǔn)，減少后期手動(dòng)配準(zhǔn)。

2.2 控制點(diǎn)布設(shè)

由于三維激光掃描儀的量程有限，人防隧道距離較長(zhǎng)，為了提高拼接精度，控制點(diǎn)需要提前布設(shè)，并可提前結(jié)合其他測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)量并輸入三維激光掃描儀系統(tǒng)，減少現(xiàn)場(chǎng)工作量，加快效率。

2.3 掃描測(cè)站

在人防隧道中使用三維掃描儀沿主要走向建立多個(gè)掃描站，站與站之間采用棱鏡后方交會(huì)技術(shù)，以保證不同掃描站間點(diǎn)云的配準(zhǔn)和拼接精度。棱鏡架設(shè)于已布置好的控制點(diǎn)，利用掃描儀的全站儀模式，測(cè)得控制點(diǎn)的坐標(biāo)后，可在任意時(shí)間進(jìn)行復(fù)測(cè)。

3 掃描結(jié)果及成果處理

3.1 原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)

內(nèi)業(yè)采用點(diǎn)云后處理軟件Trimble Business Center，選取掃描所得的第一測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，隧道底部一定角度范圍內(nèi)存在未清理的散落混凝土和一些小型器械，利用軟件剔除不利因素。

整體點(diǎn)云還需要進(jìn)行多視對(duì)齊和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以及進(jìn)行點(diǎn)云重采樣和數(shù)量壓縮。

三維激光掃描儀采樣點(diǎn)如圖2所示。

圖2 三維激光掃描儀采樣點(diǎn)

3.2 隧道斷面提取

沿人防隧道線路前進(jìn)方向按一定點(diǎn)云寬度生成斷面切片。生成的斷面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，間距不大于2.5 m，斷面采集的厚度設(shè)為4 cm，并自動(dòng)進(jìn)行最鄰近兩點(diǎn)的連接，形成閉合的多段線[7]。

采集結(jié)果如圖3所示。

圖3 點(diǎn)云斷面提取效果

獲得的二維坐標(biāo)是點(diǎn)數(shù)據(jù)，DXF文件是數(shù)據(jù)交換格式中的一個(gè)通用格式，主要是存儲(chǔ)二維點(diǎn)數(shù)據(jù)以及由點(diǎn)數(shù)據(jù)生成的樣條曲線，現(xiàn)利用程序?qū)⒍S坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DXF格式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并進(jìn)行連接和標(biāo)注。

隧道斷面如圖4所示。

圖4 隧道斷面

3.3 隧道走向

由于人防隧道原有圖紙資料不齊全，需要根據(jù)三維掃描數(shù)據(jù)復(fù)原出隧道的走向圖?，F(xiàn)利用三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方式，將三維點(diǎn)云投影至水平面，此時(shí)隧道的走向即為三維點(diǎn)云的邊界，能夠大幅度減少采用CAD逐條劃線的原始繪圖方法。

根據(jù)此方法獲得的隧道走向如圖5所示。

圖5 隧道平面

3.4 隧道埋深自動(dòng)計(jì)算

在隧道施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，隧道埋深的精確計(jì)算一直是困擾技術(shù)人員的難題。人防隧道工程建設(shè)年代久遠(yuǎn)，缺少竣工圖紙，整段隧道無(wú)標(biāo)高數(shù)據(jù)，埋深也難以進(jìn)行確定。現(xiàn)結(jié)合三維激光掃描技術(shù)，可在人防隧道檢測(cè)過(guò)程中完成隧道埋深的計(jì)算。

（1）在對(duì)人防隧道進(jìn)行三維掃描時(shí)，可通過(guò)定位獲得點(diǎn)云的絕對(duì)坐標(biāo)。通常在洞口借用已知坐標(biāo)點(diǎn)（至少兩個(gè)）進(jìn)行定位，也可結(jié)合RTK進(jìn)行定位，再進(jìn)行隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的掃描，此時(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的各點(diǎn)坐標(biāo)均為絕對(duì)坐標(biāo)，包括隧道頂部的三維坐標(biāo)。

完成人防隧道三維掃描后，在隧道正上方進(jìn)行掃描，此時(shí)，隧道和地面的三維點(diǎn)云位于同一坐標(biāo)系中。

（2）得到人防隧道和地面的高程數(shù)據(jù)后，利用已知坐標(biāo)進(jìn)行插值，可獲得隧道正上方的地面標(biāo)高，再將地面標(biāo)高和隧道頂部標(biāo)高進(jìn)行比對(duì)，即可得到隧道埋深[8]。為減少人工計(jì)算，提取點(diǎn)云中的地面三維坐標(biāo)采用Python的pyKriging庫(kù)編譯的程序，求得場(chǎng)地內(nèi)任意位置的高程。

結(jié)合可視化模塊，場(chǎng)地范圍內(nèi)的地面模型如圖6所示。

圖6 地面三維模型

（3）由于隧道埋深指斷面的頂部至自然地面的垂直距離，現(xiàn)取沿隧道橫斷面方向上最高點(diǎn)為頂部標(biāo)高，即可求得隧道埋深數(shù)據(jù)，如圖7所示。

圖7 地面三維模型

為充分體現(xiàn)隧道沿線的埋深，可選擇任意步長(zhǎng)繪制橫向和縱向的隧道埋深剖面圖，或在隧道掃描數(shù)據(jù)中通過(guò)顏色體現(xiàn)埋深。

隧道進(jìn)口段的埋深如圖8所示。

圖8 隧道埋深計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)在某人防隧道檢測(cè)過(guò)程中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用情況，綜合分析了三維激光掃描技術(shù)在人防隧道檢測(cè)中的應(yīng)用效果。采用三維激光掃描技術(shù)，可以準(zhǔn)確、快速獲取隧道每個(gè)位置的三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)隧道斷面提取、走向提取和埋深自動(dòng)計(jì)算等功能。常規(guī)的隧道檢測(cè)方法中，采用全站儀進(jìn)行此類參數(shù)的測(cè)量，工作周期較長(zhǎng)且觀測(cè)頻繁，以手工為主作業(yè)模式導(dǎo)致效率低下，在高程變化大的地段，點(diǎn)位數(shù)據(jù)往往高度失真。三維激光掃描技術(shù)獲取的隧道斷面、走向和埋深，鑒于其點(diǎn)云完整性的優(yōu)勢(shì)，能夠真實(shí)反映隧道真實(shí)情況，采集得到的隧道信息更全面，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)檢測(cè)手段的缺陷，協(xié)助技術(shù)人員更好地完成人防隧道檢測(cè)。