基于EPS2008的地面三維激光掃描技術(shù)在隧道測(cè)量中應(yīng)用研究

朱清海(重慶市勘測(cè)院,重慶 400020)

基于EPS2008的地面三維激光掃描技術(shù)在隧道測(cè)量中應(yīng)用研究

朱清海?
(重慶市勘測(cè)院,重慶 400020)

摘 要:基于地面三維激光掃描新技術(shù)研究與運(yùn)用,以科技促進(jìn)發(fā)展為目的,通過(guò)對(duì)隧道測(cè)量?jī)?nèi)容、隧道地物要素分布特征的研究,結(jié)合三維激光掃描技術(shù)特點(diǎn),提出了地面三維激光掃描技術(shù)在隧道測(cè)量中的作業(yè)方法及流程;基于EPS2008二次開(kāi)發(fā)技術(shù)研究隧道點(diǎn)云特征數(shù)據(jù)提取方法,實(shí)現(xiàn)了基于隧道底面模型的激光點(diǎn)云特征數(shù)據(jù)提取。

關(guān)鍵詞:三維地面激光掃描;點(diǎn)云;數(shù)據(jù)處理;隧道測(cè)量;EPS2008

1　引 言

地面三維激光掃描技術(shù)主要是利用激光測(cè)距原理來(lái)獲取目標(biāo)數(shù)據(jù),其激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含三維坐標(biāo)、顏色、反射率等信息,本文基于地面三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行研究。地面三維激光掃描儀是一種非接觸式主動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),可進(jìn)行大面積高密度空間三維數(shù)據(jù)的采集,具有測(cè)量點(diǎn)位精度高、采集空間點(diǎn)的密度大、速度快等特點(diǎn),且融合了激光反射強(qiáng)度和物體色彩等信息[1]。地面三維激光掃描儀以高密度、連續(xù)、自動(dòng)獲取的優(yōu)勢(shì)改變了傳統(tǒng)測(cè)繪的單點(diǎn)采集模式,信息量得到了很大程度的增加,工作效率也得到了提高,拓展了測(cè)繪領(lǐng)域新技術(shù)的應(yīng)用。可以說(shuō)地面三維激光影像掃描技術(shù)是繼GPS空間定位技術(shù)后的又一項(xiàng)測(cè)繪技術(shù)革新[2],使得測(cè)繪數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域、使用方法的研究進(jìn)入了新的發(fā)展階段。

隧道測(cè)量作為工程測(cè)量的一個(gè)重要組成部分,在公路、鐵路、軌道交通、水利樞紐等工程項(xiàng)目中都有所涉及,均需要進(jìn)行相關(guān)測(cè)量。目前應(yīng)用較多的是采用全站儀極坐標(biāo)法逐點(diǎn)進(jìn)行采集測(cè)量,其測(cè)量密度、精度和效益始終不能很好地控制,密度高則精度高、速度慢,密度低則精度差。對(duì)于一些高精度、高密度、危險(xiǎn)地段的測(cè)量顯得無(wú)能為力。本文以軌道交通隧道測(cè)量為例,采用Riegl VZ-1000三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,從點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取、處理進(jìn)行了論述,并基于EPS2008軟件平臺(tái)二次開(kāi)發(fā)技術(shù)研究提取隧道特征數(shù)據(jù)的處理流程、方法,開(kāi)發(fā)特征數(shù)據(jù)提取功能模塊,為隧道工程測(cè)量服務(wù)。

2　隧道測(cè)量?jī)?nèi)容及特征分析

2.1測(cè)量?jī)?nèi)容介紹

軌道交通隧道測(cè)量主要包括橫斷面測(cè)量、縱斷面測(cè)量及隧道平面圖測(cè)量。橫斷面測(cè)量成果是分析軌道交通橫向限界安全的主要依據(jù)之一;縱斷面測(cè)量成果是分析軌道縱向平整度及縱向限界的主要依據(jù);平面圖直觀反映洞內(nèi)要素的平面分布,也最為復(fù)雜,它不但需要反映隧道腰線(xiàn)平面位置、斷面特征高程位置,同時(shí)還需要反映隧道內(nèi)其他建構(gòu)筑物位置。作為軌道交通通行的隧道,其軌道平整性、軌道限界條件是軌道交通能否安全通行的基本要求,供水、供電、通訊、通風(fēng)等設(shè)施是軌道交通運(yùn)行的重要基礎(chǔ)保障設(shè)施,它們的位置分布合理性直接關(guān)系軌道交通的安全有效運(yùn)行。

2.2洞內(nèi)要素分布特征分析

隧道內(nèi)要素受功能和空間限制,其分布均具有一定的規(guī)律,總體均為線(xiàn)狀分布,在空間上呈現(xiàn)相對(duì)洞底等高分布的特性,在橫向上距離洞體中線(xiàn)位置基本相同等特性。另外,同一設(shè)計(jì)單位對(duì)同一隧道的設(shè)計(jì)也會(huì)保持相同的布設(shè)方案,從而降低施工難度,節(jié)約建設(shè)成本,提高工程建設(shè)效率。比如,重慶某軌道交通隧道中軌道面距離洞底最低面的高度均在0.2 m～0.4 m之間,這為后續(xù)基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特征地物提取創(chuàng)造了條件。

3　數(shù)據(jù)采集方案

3.1控制方法的確定

Riegl VZ-1000三維激光掃描儀采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)可分別采用基于“測(cè)站點(diǎn)+后視點(diǎn)”的數(shù)據(jù)采集方法、基于標(biāo)靶的數(shù)據(jù)采集方法和基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)拼接的數(shù)據(jù)采集方法[9]。由于隧道測(cè)量區(qū)域特征地物較多,隨機(jī)點(diǎn)云處理軟件具有根據(jù)掃描公共特征點(diǎn)進(jìn)行拼接的功能,所以控制點(diǎn)主要以控制隧道整體精度為前提,主要將控制點(diǎn)布設(shè)在隧道的兩端和支洞洞口,采用基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)拼接的數(shù)據(jù)采集方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,這樣可以很大程度的減少控制點(diǎn)的布設(shè)。

若隧道施工控制網(wǎng)保存較好,也可以采用隧道施工控制網(wǎng)作為掃描測(cè)量的控制依據(jù),采用基于“測(cè)站點(diǎn)+后視點(diǎn)”的數(shù)據(jù)采集方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,這樣可以完全節(jié)約控制點(diǎn)布設(shè)的成本。當(dāng)施工控制網(wǎng)部分受到破壞時(shí),則可綜合使用以上兩種方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3.2掃描分辨率的確定

三維激光掃描單點(diǎn)定位內(nèi)符合精度具有很好的可靠性,其外符合精度隨掃描距離的增大而降低[10],同時(shí)掃描分辨率直接決定點(diǎn)云的密度,掃描分辨率越高,點(diǎn)云密度越大,掃描時(shí)間越長(zhǎng)。反之,掃描分辨率越低,點(diǎn)云密度越小,掃描時(shí)間越短,但點(diǎn)云密度太稀時(shí)會(huì)很大程度上影響地物提取的精度,為了既能滿(mǎn)足生產(chǎn)需要,又能提高工作效率,在數(shù)據(jù)采集掃描分辨率設(shè)置時(shí)我們應(yīng)綜合考慮以上因素。

在隧道測(cè)量時(shí)我們主要考慮需要提取地物的最小分辨率,如:在軌道交通隧道中的軌道相比其他的地物來(lái)說(shuō)其分辨率要求是最高的,首先由它的重要性決定,其次由它的形狀大小所決定,其橫截面是最小,在橫斷面提取時(shí)其軌道面又是非常重要的要素之一。那么我們?cè)谠O(shè)置掃描分辨率時(shí)必須保證能準(zhǔn)確提取軌道面為原則,保證在數(shù)據(jù)提取單元內(nèi)軌道面邊沿應(yīng)有較多的點(diǎn)云用于擬合計(jì)算。以此確定測(cè)站點(diǎn)間距離,首先應(yīng)保證相鄰測(cè)站掃描點(diǎn)云具有一定比例的重疊度,其次測(cè)站間距不能超過(guò)掃描分辨率決定的掃描距離的2倍。

3.3數(shù)據(jù)處理及特征提取流程研究

數(shù)據(jù)處理和提取分為隨機(jī)軟件預(yù)處理和EPS2008二次開(kāi)發(fā)提取數(shù)據(jù),隨機(jī)軟件預(yù)處理主要包含數(shù)據(jù)采集、拼接、轉(zhuǎn)換、去噪和濾波等,這屬于所有點(diǎn)云工程項(xiàng)目均會(huì)涉及的內(nèi)容,在此不再敘述,主要對(duì)基于EPS2008平臺(tái)二次開(kāi)發(fā)隧道特征數(shù)據(jù)提取進(jìn)行介紹。根據(jù)隧道地物特征分析知道,隧道內(nèi)地物基本上都具有分布在相對(duì)洞底一定高度的特征,我們以此為程序開(kāi)發(fā)的突破口進(jìn)行研究,所以數(shù)據(jù)的提取分為以下幾方面,提取洞底表面、提取洞體外部輪廓、基于洞底表面和外部輪廓提取一定高度范圍內(nèi)的特征地物(如:軌道,供水管)、基于洞體斷面提取洞頂高程。其詳細(xì)流程如圖1所示:

圖1　點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集與處理流程

4　軟件功能開(kāi)發(fā)

以隨機(jī)軟件預(yù)處理后的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),在EPS2008軟件平臺(tái)中進(jìn)行功能設(shè)計(jì)、代碼編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)隧道數(shù)據(jù)的提取、編輯與輸出。

4.1需求分析與設(shè)計(jì)

(1)隧道底面模型提取

隧道屬于線(xiàn)路工程,其縱向根據(jù)設(shè)計(jì)存在一定的豎向變化,橫向也有一定平面曲線(xiàn)參數(shù),為了使軟件能很好地提取與隧道豎曲線(xiàn)基本一致的隧道底面模型,軟件應(yīng)該具備根據(jù)線(xiàn)路中線(xiàn)位置及里程間距提取隧道底面模型。

(2)隧道特征線(xiàn)的提取

根據(jù)隧道地物分布特征,軟件應(yīng)該具備根據(jù)隧道底面模型按照相對(duì)高差過(guò)濾點(diǎn)云,并提取過(guò)濾后的呈線(xiàn)狀分布的點(diǎn)云的功能。

(3)隧道特征點(diǎn)的提取

為了圖形的美觀。滿(mǎn)足矢量圖的要求,特征點(diǎn)只能按照一定的間距進(jìn)行提取。另外為了滿(mǎn)足圖形符號(hào)化的需要,提取對(duì)象還需要與EPS2008軟件編碼符號(hào)進(jìn)行對(duì)照。

根據(jù)以上需求設(shè)計(jì)軟件功能界面如圖2所示:

圖2　隧道數(shù)據(jù)提取功能界面

4.2功能介紹及核心代碼

點(diǎn)云外邊線(xiàn)提取:根據(jù)隧道設(shè)計(jì)中線(xiàn),按照設(shè)置的斷面間距等參數(shù)進(jìn)行隧道最寬位置線(xiàn)提取,并用設(shè)定的編碼表示,實(shí)現(xiàn)洞身邊線(xiàn)提取。

點(diǎn)云最高點(diǎn)線(xiàn):按照設(shè)置的里程間距,提取隧道斷面位置的最高點(diǎn),用線(xiàn)連接相鄰斷面最高點(diǎn),結(jié)合縱斷面分析功能進(jìn)行分析,確定提取的斷面最高點(diǎn)沒(méi)有問(wèn)題即可替換為洞頂高程,實(shí)現(xiàn)洞頂高程的提取。

生成最低參考線(xiàn):為了建立最低參考面,首先需要提取最低參考線(xiàn),然后以此建立最低參考面模型。同樣采用橫斷面提取功能提取等間距斷面數(shù)據(jù)分別比較左右兩側(cè)的高程數(shù)據(jù),找出最低點(diǎn)高程,將其高程值賦給對(duì)應(yīng)位置的外邊線(xiàn)節(jié)點(diǎn),作為最低參考線(xiàn)。

變高截面點(diǎn)云動(dòng)態(tài)顯示與提取:以最低參考線(xiàn)為基礎(chǔ)建立底面三角網(wǎng),以此進(jìn)行變高截面點(diǎn)云過(guò)濾顯示,這樣在一定高度處點(diǎn)云在繪圖空間中直接顯示為線(xiàn)狀分布,再將顯示出的點(diǎn)云進(jìn)行中心擬合、偏移檢查即可得到需要的線(xiàn)要素。

其核心代碼如下:

SearchCloudPoints(rect,POINT3DLIST triPoints );/ /獲得矩形范圍內(nèi)的點(diǎn)云

CreateTriNet(TriangleList,triPoints,2,1000,NULL,NULL,1, NULL,NULL);/ /建立TIN

/ /獲得所有可見(jiàn)點(diǎn)云塊

CDataSourceList?pDatalist = GetScaleMap( ) -＞GetData-SourceList();

CEpsPointCloud?pCloud;

CSSPtrArray＜CPointCloudBlock＞blocklist;

for (int ii = 0;ii＜pDatalist-＞GetSize();ii++ )

{

CDataSource?pData = pDatalist-＞GetAt(ii );

if (pData-＞m_DataInfo.eDataType ! = e_Theme_CLD )

continue;

pCloud = pData-＞GetEpsPointCloud();

if (! pCloud )

continue;

CSSPtrArray＜CPointCloudBlock＞list;

pCloud-＞SearchBlock(rect,list );

blocklist.Append(list );

}

/ /查找指定高度范圍內(nèi)的點(diǎn)云過(guò)濾顯示

int nBlockCount = blocklist.GetSize();

if (nBlockCount )

{

double maxHeight = xyHeight + cldHeight;

pCloud-＞SetFilterDisplay(FALSE);

for (int j = 0;j＜nBlockCount;j ++ )

{

CUIntArray IntArray;

CPointCloudBlock?pBlock = blocklist[j];

pBlock-＞CloseDisplayFilter();

int nPtCount = pBlock-＞GetPtCount();

IntArray.SetSize(0,nPtCount);

m_ PointListBorderline.Add ( m _ PointListBorderline.GetAt (0));

for (int iPt = 0;iPt＜nPtCount;iPt ++ )

{

Point3D pt=pBlock-＞GetPoint(iPt);

if (PtInRect(rect,pt))

{

double mPlistz;

m_pCurTriNet-＞GetHeight(pt.x ,pt.y ,mPlistz);

double xyHeight0=0.0,maxHeight0=0.0;

xyHeight0=xyHeight+mPlistz;/ /轉(zhuǎn)換高差為高程

maxHeight0=maxHeight+mPlistz;

if (pt.z＞xyHeight0 && pt.z＜maxHeight0)

{

CPoint3D pt1;

pt1.x=pt.x;

pt1.y=pt.y;

if (PtInPoly(m_PointListBorderline,pt1))

{

IntArray.Add(iPt);

}}}}

pBlock-＞SetDisplayFilter(IntArray); }

pCloud-＞SetFilterDisplay(TRUE); }

m_pGLDC-＞Invalidate();

5　工程實(shí)例

在重慶某軌道交通隧道竣工測(cè)量工程中,作者采用Riegl VZ-1000三維激光掃描儀進(jìn)行隧道全長(zhǎng)約6.3 km的區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,內(nèi)業(yè)采用隨機(jī)軟件RiSCAN PRO 1.64進(jìn)行點(diǎn)云拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后輸出中間數(shù)據(jù)格式,然后采用以上開(kāi)發(fā)的模塊進(jìn)行隧道底部模型、外部輪廓、最低邊線(xiàn)、軌道、供水管道及洞頂高程的提取與輸出,同時(shí)以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)提取隧道縱、橫斷面數(shù)據(jù),一個(gè)作業(yè)小組內(nèi)外業(yè)分別用時(shí)1天。若采用常規(guī)測(cè)量方式進(jìn)行隧道平面圖測(cè)量一個(gè)作業(yè)組需要6天,橫斷面測(cè)量按每10 m測(cè)量一條一個(gè)作業(yè)組需要約10天,由此可見(jiàn),該項(xiàng)技術(shù)的采用提高了工作效率,同時(shí)也較好地彌補(bǔ)了常規(guī)隧道測(cè)量以點(diǎn)帶面、點(diǎn)位密度不足的問(wèn)題。通過(guò)精度對(duì)比分析,其點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取成果精度完全滿(mǎn)足隧道工程測(cè)量需要,研究成果為三維激光掃描技術(shù)運(yùn)用于工程測(cè)量奠定了良好的基礎(chǔ)。其部分?jǐn)?shù)據(jù)成果如圖3～圖5所示:

圖3　采集的隧道原始數(shù)據(jù) 圖4 提取的隧道底面模型

圖5　提取的隧道輪廓線(xiàn)、軌道及洞頂高程

6　結(jié) 語(yǔ)

地面三維激光掃描技術(shù)能夠快速地獲取高密度、高精度的目標(biāo)空間信息,在三維表面重建和測(cè)量方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。地面三維激光掃描技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用研究才剛起步,要想其取代現(xiàn)有作業(yè)模式還需要投入大量的研究和開(kāi)發(fā),我相信在各位同行的共同努力下,地面三維激光掃描技術(shù)一定會(huì)給測(cè)繪生產(chǎn)帶來(lái)一次全新的技術(shù)變革。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱清海,黃承亮,李凱.基于EPS 2008及地面三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行斷面線(xiàn)提取[J].城市勘測(cè),2013(2):89 ～91.

[2] 劉旭春,丁延輝.三維激光掃描技術(shù)在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪工程,2006(15):48～49.

[3] 閆利,崔晨風(fēng),張毅.三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于高精度斷面線(xiàn)生成的研究[J].遙感信息,2007(4):54～56.

[4] 肖書(shū)安,張正祿.高速鐵路隧道竣工測(cè)量新技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2007(9):72～74.

[5] 北京清華山維新技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司.EPS2008地理信息工作站使用說(shuō)明書(shū)[R].2010(8).

[6] 馬立廣.地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)研究[D].武漢:武漢大學(xué),2005.

[7] 朱凌,石若明.地面三維激光掃描點(diǎn)云分辨率研究[J].遙感學(xué)報(bào),2008(3):405～410.

[8] 秦長(zhǎng)利.城市軌道交通工程測(cè)量[M].武漢:武漢大學(xué), 2005.

[9] 歐斌.地面三維激光掃描技術(shù)外業(yè)數(shù)據(jù)采集方法研究[J].測(cè)繪與空間地理信息,2014(1):106～108.

[10] 向娟,李鋼,黃承亮等.三維激光掃描單點(diǎn)定位精度評(píng)定方法研究[J].海洋測(cè)繪,2009(3):68～70.

The Research on Application Based on EPS2008 Terrestrial 3D Laser Scanning Technology in Tunnel Measurement

Zhu Qinghai
(Chongqing Survey Intitute,Chongqing 400020,China)

Abstract:Study and application of terrestrial 3D laser scanning based on new technology,to promote scientific and technological development as the goal,through the tunnel,tunnel survey study on the distribution characteristics of objects,combined with the characteristics of 3D laser scanning technology,operation method is proposed for terrestrial 3D laser scanning technology in Tunnel Survey and process;EPS2008 extraction method in secondary development research tunnel point cloud feature extraction was realized based on the data,the laser point cloud data surface model based on the tunnel bottom.

Key words:3D laser scanning;point cloud;data processing;tunnel survey;EPS2008

文章編號(hào):1672-8262(2015)01-133-04中圖分類(lèi)號(hào):P234.4 1672-8262(2015)01-137-03中圖分類(lèi)號(hào):P258

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A B

收稿日期:?2014—05—05

作者簡(jiǎn)介:朱清海(1982—),男,高級(jí)工程師,主要從事工程測(cè)量,三維激光掃描方面的研究。