FARO三維激光掃描測量系統(tǒng)在錦屏二級水電站大型引水隧洞開挖中的應用

李 兵

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，四川成都 611130)

1 概述

激光測量技術出現(xiàn)于20世紀80年代，其產(chǎn)品主要是接觸式主動測量點對點的激光測距裝置。它以單色性、方向性、相干性和高亮度等特性在精度、速度、易操作性等方面表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。它的出現(xiàn)，引發(fā)了現(xiàn)代測量技術的一場革命，引起相關行業(yè)學者的廣泛關注，許多高技術公司、研究機構將研究方向和重點放在了激光測量裝置的研究和激光測量技術的運用中。如今，在激光技術、半導體技術、微電子技術、計算機技術、傳感器等技術的發(fā)展和應用需求推動下，激光測量技術也逐步發(fā)展到采用非接觸主動測量方式快速獲取實體三維空間坐標的三維激光掃描測量裝置，在測繪領域正逐漸成為重要的測量手段。

筆者結(jié)合錦屏二級水電站大型引水隧洞的開挖測量工作，具體介紹了FARO三維激光掃描隧道測量系統(tǒng)、系統(tǒng)的工作流程、掃描測量實例及激光測量技術的優(yōu)越性和應用前景。

2 FARO三維激光掃描隧道測量系統(tǒng)

錦屏二級水電站引進的三維激光掃描隧道測量系統(tǒng)是由美國 FARO Technologies，Ⅰnc．公司生產(chǎn)的FARO三維激光掃描裝置，這是一款相位式大空間掃描儀，型號為FARO 3D LASER SCANNER Photon 120。

筆者簡要介紹了FARO三維激光掃描隧道測量系統(tǒng)的組成和功能、工作原理、掃描特點、技術指標和數(shù)據(jù)處理平臺。

2．1 系統(tǒng)的組成及其具有的功能

FARO三維激光掃描隧道測量系統(tǒng)的組成有以下三部分:

(1)FARO三維激光掃描儀。用來掃描獲取實體表面的三維數(shù)據(jù)。

(2)FARO SCENE后處理軟件。用來控制掃描儀操作、視角、測量和分析，也可以用來處理數(shù)據(jù)、識別物體、連接 CAD系統(tǒng)(所有的 CAD和CAPE系統(tǒng)均支持)。

(3)RR Tunnel隧道測量軟件包。這是一個具有15年歷史且成熟的勘測和隧道測量軟件，該軟件具有如下特點和功能:

◆體積和面積計算。例如:已開挖土方量與規(guī)劃隧道的比較;超/欠挖方量的自由計算。

◆無限量輪廓線。

◆用戶自定義的掃描分段數(shù)量和距離(在同一隧道中的不同距離)。

◆生成隧道開挖與設計之間偏差的三維視圖。

◆生成與設計方案的開卷偏差的二維視圖。

◆給出各項報告，例如:RFQ，清算賬目，總額等。

◆自動生成CAD圖紙(根據(jù)需要生成標準或者用戶定義的圖紙標題)。

◆輸出數(shù)據(jù)可以被用戶控制各類計算機化的建筑機器。

◆集成FARO激光掃描儀。

上述組成FARO三維激光掃描隧道測量系統(tǒng)的三部分的配合使用可以進行隧道測量、分析、管理，達到為隧道施工建設提供最佳的測量服務、成果輸出和決策方案等。

2．2 FARO三維激光掃描儀的工作原理

(1)通過發(fā)射紅外線光束到旋轉(zhuǎn)式鏡頭的中心，旋轉(zhuǎn)檢測環(huán)境周圍的激光，一旦接觸到物體，光束立刻被反射回掃描儀，紅外線的位移數(shù)據(jù)被測量，從而反映出激光與物體之間的距離。

(2)借助特殊的調(diào)制技術，HYPERMODULATⅠONTM可大幅提高調(diào)制信號的信噪比。之后，通過使用角度編碼器測量Laser scanner鏡頭旋轉(zhuǎn)角度與激光掃描儀的水平旋轉(zhuǎn)角度，以獲得每一個點的X、Y、Z三維坐標值 。

(3)借助載式計算機，可以在不使用便攜式計算機的情況下運行掃描。完成掃描后，用戶即可輕松導航三維視圖，對全部掃描數(shù)據(jù)在計算機上進行查看分析及后處理。

2．3 FARO三維激光掃描儀的測量特點

FARO三維激光掃描儀采用非接觸主動測量方式直接獲取高精度的三維數(shù)據(jù)，克服了傳統(tǒng)測量技術以點帶面的固定化測量模式的局限性，能夠?qū)θ我馕矬w表面進行掃描，且不受白天和黑夜的限制，既使在完全黑暗的條件下也可以掃描測量;它能夠快速將現(xiàn)實世界的信息轉(zhuǎn)換成可以處理的數(shù)據(jù);它具有掃描速度快、實時性強、精度高、主動性強、全數(shù)字特征等特點，以及可以極大地減少測量時間、使用方便、其輸出格式可直接與CAD三維動畫等工具軟件接口連接的特點。

2．4 FARO三維激光掃描儀的技術指標

有效掃描距離:120 m

系統(tǒng)誤差距離:25 m處2 mm

清晰間距:153．49 m

典型解析度:8 000×3 500

典型持續(xù)時間:233 s

最大解析度:470 000×16 384

測量頻率:97萬6千點每秒

激光功率:20 mW

波長:785 nm

垂直視角:320°

水平視角:360°

重量:14．5 kg

數(shù)據(jù)儲存:內(nèi)置80 G硬盤或網(wǎng)絡連接

尺寸:400 mm×160 mm×280 mm

2．5 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理平臺

筆記本電腦，至少應具有以下配置:

CPU:2．13 GHz

RAM:2 GB

HD:80 GB

顯卡:512 MB

以太網(wǎng)網(wǎng)卡

預裝Windows NT或2000 or XP操作系統(tǒng)

3 FARO三維激光掃描隧道測量系統(tǒng)的工作流程及簡要說明

FARO三維激光掃描隧道測量系統(tǒng)在錦屏二級水電站引水隧洞開挖測量中的主要工作流程如下。

3．1 測站設計

根據(jù)待掃描開挖隧洞段的長度架設標靶和三維激光掃描儀。具體操作:首先在已開挖隧洞的有效掃描范圍內(nèi)布置2～3個標靶;然后將三維激光掃描儀架設在待掃描隧洞開挖段大約中部的任意地方(不必架設在已知的測量控制點上)。

3．2 掃描儀掃描測量

掃描儀無需像傳統(tǒng)測量儀器那樣定向后才能測量，只需較隨意地選好架站地點初平掃描儀即可。掃描儀架好后，接通FARO三維激光掃描儀電源待機預熱4 min左右(經(jīng)過預熱后，三維激光掃描儀可提供最佳的掃描測量結(jié)果)。然后，啟動掃描儀上的掃描按鈕，掃描儀便會自動逆時針旋轉(zhuǎn)片刻后停止，緊接著自動轉(zhuǎn)為順時針運動、同時進行所有的連續(xù)掃描測量。待掃描儀自動順時針旋轉(zhuǎn)360°后完成掃描，掃描儀又會自動逆時針旋轉(zhuǎn)回到其最初的位置。至此，一個測站的現(xiàn)場掃描工作全部結(jié)束。

錦屏二級水電站引水隧洞開挖工程由于施工環(huán)境惡劣，空氣中水霧、煙霧及粉塵濃度高，完成一個測站的全部掃描測量工作用時大約15～20 min，能獲取70 m左右隧洞開挖段的獨立三維坐標數(shù)據(jù)，有效使用數(shù)據(jù)約60 m掃描段長，最佳使用數(shù)據(jù)約50 m掃描段長。

3．3 控制標靶中心坐標的獲取

在已有的控制測量點上用全站儀直接測量標靶控制測量系統(tǒng)的三維坐標。

3．4 坐標配準

使用FARO SCENE后處理軟件以標靶為基準，通過測得標靶測量系統(tǒng)的三維坐標值，把三維激光掃描儀現(xiàn)場掃描獲得的激光點云中的獨立系統(tǒng)的每個三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成控制測量系統(tǒng)的三維坐標數(shù)據(jù)。

3．5 三維建模

使用RR Tunnel隧道測量軟件在計算機中生成隧道開挖與設計之間偏差的三維視圖。

3．6 成果輸出

使用RR Tunnel隧道測量軟件在計算機中可自動生成CAD圖紙，如反映隧洞超/欠挖的剖面圖、超/欠挖數(shù)值、超/欠挖面積以及自動計算超/欠挖方量等。

4 應用實例

錦屏二級水電站于2010年1月開始引進FARO三維激光掃描系統(tǒng)，并將其應用于引水隧洞的開挖掃描、超/欠挖檢測、開挖驗收和工程量計算，取得了較好的測量效果。筆者給出了2#引水隧洞引(2)7+900～引(2)7+968邊頂拱開挖驗收的部分掃描成果。

4．1 掃描數(shù)據(jù)

FARO三維激光掃描儀現(xiàn)場掃描完成后，所有的數(shù)據(jù)以Geo文件格式存儲在掃描儀的內(nèi)置硬盤中，可以輕松實現(xiàn)數(shù)據(jù)的導入、導出和數(shù)據(jù)處理，同時也確保了所有數(shù)據(jù)的實時存儲，避免了數(shù)據(jù)丟失的風險。表1是采用Excel導出的部分三維坐標數(shù)據(jù)。

表1 所導出的三維坐標值表

4．2 形象逼真的三維圖像

將現(xiàn)場掃描獲得的數(shù)據(jù)導入電腦生成三維視圖，可以直接查看該站掃描獲得的整個掃描段的點云及雜物等情況，通過過濾和點云數(shù)據(jù)稀釋以及選擇并掃除無用的雜點點云后，最終生成開挖掃描段清掃干凈的3D視圖(圖1)。測量數(shù)據(jù)非常方便，可以在點云圖中或三維立體圖中直接測量，測得的數(shù)據(jù)可用于生成尺寸精確的CAD模型。

圖1 開挖段3D視圖

4．3 生成開挖斷面圖

把3D視圖導入數(shù)據(jù)到RR Tunnel隧道測量軟件，可以輕松截取掃描段的隧洞開挖斷面圖。不同樁號的開挖斷面圖之間的樁距可以根據(jù)實際需要在軟件中任意指定輸入，開挖斷面圖的生成為批量處理，可瞬間獲得全部需要的、按樁距要求截取的開挖斷面圖。

4．4 工程量計算

采用RR Tunnel隧道測量軟件計算指定開挖段引(2)7+930～引(2)7+960的超挖工程量，計算結(jié)果為 138．572 m3。

5 系統(tǒng)的優(yōu)越性及應用前景

FARO三維激光掃描系統(tǒng)在錦屏二級水電站大型引水隧洞開挖工程實際施工應用中，相比傳統(tǒng)測量方法表現(xiàn)出更加簡單、適用、精確、快速和高效的特性以及明顯的技術優(yōu)勢，簡述如下:

(1)FARO三維激光掃描系統(tǒng)產(chǎn)生三維黑白圖像，每一個像素均有X，Y，Z坐標。測量數(shù)據(jù)方便，可以在點云圖中或三維物體中直接測量，這些數(shù)據(jù)可用于生成尺寸精確的CAD模型。

(2)可以真正做到直接從已開挖的引水隧洞中進行快速的逆向三維數(shù)據(jù)采集，而無需進行任何實體表面的處理。

(3)現(xiàn)場掃描獲得的激光點云中的每個三維數(shù)據(jù)都是直接采集目標的數(shù)據(jù)，從而使得后期處理的數(shù)據(jù)完全真實可靠。

(4)不同于傳統(tǒng)的單點測量方法。傳統(tǒng)測量方法由于全站儀的局限性在斷面中只能對斷面的特征點進行抽測以達到反映開挖斷面是否達到設計斷面的目的，其測量結(jié)果受特征點的影響較大。而FARO三維激光掃描儀的解析度為8 000×3 500～470 000 ×16 384，典型掃描速度為每秒12萬個3D點，它不僅可以輕松、精確的反映掃描到的開挖情況，也可以對所有隧洞表面進行掃描測量。

(5)抗干擾性及環(huán)境適應性強。既使引水隧洞空氣中水霧、煙霧及粉塵濃度高到常規(guī)測量方法都難以測量的情況下也能掃描測量。

(6)在現(xiàn)場掃描時無需定向，故其設站幾乎不受施工的干擾，而且掃描測量操作簡單，只需啟動按鈕即可自動完成全部掃描測量工作。

(7)由于采用的是非接觸主動測量方式，因此，掃描測量自動、高速，遠比傳統(tǒng)全站儀裝載的TMSSolution隧道自動測量系統(tǒng)快速、高效，可以最大程度地節(jié)約測量時間。如FARO三維激光掃描儀在錦屏二級水電站涌水量大、幾乎黑暗的1#引水隧洞的施工環(huán)境中，可自動掃描獲取開挖后引水隧洞的三維掃描數(shù)據(jù)。

(8)掃描數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理高效，超/欠挖量計算容易，測量報告輸出及時等。

總之，F(xiàn)ARO三維激光掃描系統(tǒng)作為激光測量技術領域較為成熟的高科技商業(yè)產(chǎn)品，以及其在錦屏二級水電站大型引水隧洞開挖工程中的實際生產(chǎn)應用中所表現(xiàn)出來的非同一般的優(yōu)越性，贏得了錦屏二級水電站建設工程的測量市場。

目前，我國還沒有國產(chǎn)的高精度三維激光掃描儀投放市場。筆者相信:在不久的將來，具有國產(chǎn)自主知識產(chǎn)權的、更加適合中國國情的三維激光掃描測量系統(tǒng)將會誕生，而且隨著產(chǎn)品市場價格的下降，三維激光掃描系統(tǒng)一定會以其技術優(yōu)勢更加廣泛地應用在中國建設發(fā)展的各行各業(yè)，如采礦、工程施工、城市規(guī)劃、勘測、測量、交通、古跡建筑物克隆以及數(shù)字地理信息系統(tǒng)等行業(yè)。