道路高精度掃描監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研究

李國超

（中航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司北京市100098）

道路高精度掃描監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研究

李國超

（中航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司北京市100098）

新建地鐵工程穿越城市道路快速路、高速公路時，地鐵的施工將可能導(dǎo)致城市路面產(chǎn)生緩沉、塌陷等病害，甚至引發(fā)交通事故及人身傷亡事故。采用傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量方法，作業(yè)人員無法到達(dá)也無法安裝測量標(biāo)志，同時安全也得不到保障。隨著科技的發(fā)展，采用自動化、高精度的掃描方式進(jìn)行道路監(jiān)測成為可能。介紹了道路高精度掃描監(jiān)測技術(shù)，供相關(guān)人員參考。

道路監(jiān)測；高精度掃描；非接觸；自動化數(shù)據(jù)處理

地鐵施工過程中應(yīng)對地下施工區(qū)域及其影響范圍內(nèi)對應(yīng)的路面進(jìn)行監(jiān)測，如果發(fā)生變形超限，及時反饋、立即響應(yīng)，避免重大事故發(fā)生，保證人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

采用非接觸式高精度測量方法，實(shí)現(xiàn)對人員無法到達(dá)、無法安裝測量標(biāo)志的路面進(jìn)行非接觸式、高精度、自動化的監(jiān)測，形成“面測量”效果，解決點(diǎn)位測量中數(shù)據(jù)不完整的問題，并且實(shí)時獲取測量目標(biāo)全景影像，方便檢查測量數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。在保證不影響正常的交通秩序、保證測量人員的人身安全、保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性的前提下，快速、準(zhǔn)確、有效地實(shí)現(xiàn)路面沉降監(jiān)測，提高了監(jiān)測效率，為路面沉降監(jiān)測探索一種全新方法。

1　現(xiàn)階段監(jiān)測的主要方法

目前國內(nèi)外在地面沉降監(jiān)測中使用的方法主要有：水準(zhǔn)測量方法、三角高程測量方法、數(shù)字?jǐn)z影測量方法、GPS方法、InSAR方法等。

水準(zhǔn)測量方法是傳統(tǒng)的沉降監(jiān)測技術(shù)，具有精度高、成果可靠、操作簡便等特點(diǎn)；三角高程測量方法是一種間接測高法，是通過觀測兩點(diǎn)間的水平距離和天頂距測定兩點(diǎn)間高差的一種方法，但其精度在很多場合受到限制，影響了其應(yīng)用范圍；數(shù)字?jǐn)z影測量方法實(shí)現(xiàn)了真正的數(shù)字化測圖，但其操作復(fù)雜、設(shè)備昂貴，其精度不僅與攝影測量的精度有關(guān)，也與建模精度有關(guān)；GPS方法具有全天候、自動化監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)，測量精度高、成果可靠；InSAR方法是合成孔徑雷達(dá)SAR與干涉測量技術(shù)的結(jié)合，是以同一地區(qū)的兩張SAR圖像為基本處理數(shù)據(jù)，通過求取兩幅SAR圖像的相位差，獲取干涉圖像，經(jīng)相位解算，從干涉條紋中獲取地形高程數(shù)據(jù)的空間對地觀測技術(shù)。

上述地面沉降監(jiān)測的方法中，數(shù)字?jǐn)z影測量方法、GPS方法、InSAR方法都是研究的熱點(diǎn)，但其在測量精度、應(yīng)用范圍等方面也存在局限性。近年來，三維激光掃描技術(shù)被應(yīng)用于路面監(jiān)測中。

2　掃描方式的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

三維激光掃描技術(shù)突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量方法，通過高速激光掃描測量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可以快速、大量地采集空間點(diǎn)位信息，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術(shù)手段，具有快速性，不接觸性，穿透性，實(shí)時、動態(tài)、主動性，高密度、高精度，數(shù)字化、自動化等特性。

三維激光掃描技術(shù)雖在地面沉降監(jiān)測中取得了良好的效果，但其最大的缺陷在于，三維激光掃描技術(shù)獲取的是目標(biāo)的相對變化量，無法獲得目標(biāo)的真實(shí)坐標(biāo)。因此，將全站儀與三維激光掃描相結(jié)合，通過該方法既可以獲得目標(biāo)的真實(shí)坐標(biāo)值，又可以計(jì)算出目標(biāo)的相對變化量，可以廣泛應(yīng)用于路面沉降監(jiān)測中。

傳統(tǒng)的測量手段是通過常規(guī)測量儀器進(jìn)行測量，首先要埋設(shè)控制點(diǎn)、監(jiān)測點(diǎn)，測量人員必須上路通過傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量方法來完成即“單點(diǎn)測量”，現(xiàn)場實(shí)施觀測中只能對關(guān)鍵部位進(jìn)行布點(diǎn)監(jiān)測，造成數(shù)據(jù)不完整等情況。而采用遙測方式即全自動測量設(shè)備采集數(shù)據(jù)，首先設(shè)定基本參數(shù)，現(xiàn)場人工采集監(jiān)測區(qū)域4個角點(diǎn)后，即可進(jìn)行自動測量工作，全程無需人為干預(yù)，同時監(jiān)測后處理工作，基本也可以交給軟件自動完成。掃描速度快、掃描距離長，精度高。可形成整體的“面測量”效果，同時數(shù)據(jù)全面，能夠有效地解決區(qū)域監(jiān)測所遇到的一系列問題。同時能夠?qū)崟r獲取測量目標(biāo)高清影像，獲取監(jiān)測目標(biāo)全景圖像，能夠方便檢查測量數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。

3　現(xiàn)場試驗(yàn)

某在建地鐵車站位于城市環(huán)路正下方，交通流量大，采用傳統(tǒng)監(jiān)測水準(zhǔn)監(jiān)測方法，面臨監(jiān)測人身安全、監(jiān)測布點(diǎn)不易布設(shè)、監(jiān)測時受交通影響較大、數(shù)據(jù)采集量少而且不連續(xù)等問題。

3.1儀器選型

試驗(yàn)采用某型掃描型全站儀，主要技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）高速長距離掃描，掃描速度高達(dá)每秒1000個點(diǎn)，快速獲得大量的掃描數(shù)據(jù)；

（2）0.6mm最高掃描精度，精確捕捉掃描對象細(xì)節(jié)，檢查微小變化；

（3）點(diǎn)云機(jī)載自動處理，內(nèi)業(yè)無需通過標(biāo)靶進(jìn)行點(diǎn)云拼接，外業(yè)測量和數(shù)據(jù)處理更簡單；3D點(diǎn)云實(shí)時查看，通過放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等方式在儀器上查看掃描數(shù)據(jù)，查漏補(bǔ)缺。

3.2現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

對同一區(qū)域連續(xù)進(jìn)行三次掃描，埋設(shè)測量區(qū)域四周的4個角點(diǎn)：根據(jù)現(xiàn)場條件把監(jiān)測區(qū)域分若干個小的測區(qū)，在每個測區(qū)的4角位置埋設(shè)固定標(biāo)志，在需要進(jìn)行監(jiān)測測量時，在監(jiān)測區(qū)域附近基準(zhǔn)點(diǎn)架設(shè)掃描儀，后視點(diǎn)定向，通過預(yù)掃選定需要掃描的區(qū)域，進(jìn)行幾項(xiàng)基本參數(shù)的設(shè)定后，開始進(jìn)行掃描工作。

3.3數(shù)據(jù)處理

進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，首先導(dǎo)入試驗(yàn)數(shù)據(jù)，剔除飛點(diǎn)，采用格網(wǎng)內(nèi)插方式生成格網(wǎng)點(diǎn)，然后比較各格網(wǎng)點(diǎn)高程差值，最后對三次試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、驗(yàn)證。

表1　三次數(shù)據(jù)對比結(jié)果

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，所有格網(wǎng)點(diǎn)高程差值均優(yōu)于1mm，可用于替代幾何水準(zhǔn)測量用于地鐵路面監(jiān)測。

4　結(jié)論

采用高精度掃描全站儀的監(jiān)測方式是一種全新的、革命性的監(jiān)測方法，但需要制定相應(yīng)的監(jiān)測技術(shù)。首先要明確儀器設(shè)備的選型標(biāo)準(zhǔn)，選擇能達(dá)到要求精度的儀器；其次要規(guī)范現(xiàn)場操作方法、方式，明確適用條件，注意事項(xiàng)等內(nèi)容；最后還要制定相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入、輸出格式，數(shù)據(jù)分析方法和最終結(jié)果的提供。［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2008（11）.

［2］ 曹勇.全站儀和激光掃描儀在古建筑測繪中的應(yīng)用比較［J］.廣東建材，2011（5）.

［3］ 張?zhí)N明，等.三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道收斂監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.測繪通報(bào)，2012（10）.

［4］ 羅德安，等.地面激光掃描儀的精度影響因素分析［J］.鐵道勘察，2007（8）.

［1］ 張舒，等.三維激光掃描技術(shù)在沉陷沉陷監(jiān)測中應(yīng)用問題探討

Research on Application of High Precision Scanning Monitoring Technology for Road

LI Guo-chao
（Avic Institute of Geotechinical Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100098，China）

When newly-built subway project passing through express way of urban road or expressway，the subway construction will lead to some diseases like secular subsidence，collapse and so on of urban pavement，and even traffic accidents and human casualty accidents.The operating personnel cannot install measurement mark by adopting traditional level methods，so the safety cannot be guaranteed.With the development of science and technology，the adoption of automated high precision scanning method for road monitoring is possible.The high precision scanning monitoring technology for road is introduced，thus providing reference for relevant personnel.

Road monitoring；High precision scanning；Non-contact；Automated data processing

U416.2

B

1673-6052（2016）05-0135-03

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.05.037