三維激光掃描儀測(cè)量隧洞的關(guān)鍵技術(shù)

賈曉堂

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽(yáng)110006）

三維激光掃描儀測(cè)量隧洞的關(guān)鍵技術(shù)

賈曉堂

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽(yáng)110006）

在特長(zhǎng)引水隧洞工程測(cè)量中，如何確定三維激光掃描儀的控制點(diǎn)間距，保證掃描得到的隧洞軸線點(diǎn)點(diǎn)位偏差小于5 cm，是三維激光掃描測(cè)量的關(guān)鍵參數(shù)。美國(guó)FARO三維激光掃描儀在引水隧洞中的應(yīng)用并不多見(jiàn)，無(wú)同類研究可借鑒。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)大量觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合研究計(jì)算，最終確定了三維激光掃描測(cè)量的關(guān)鍵參數(shù)。

三維激光掃描儀；引水隧洞；拼接誤差；控制點(diǎn)間距

1 概況

三維激光掃描是國(guó)際上快速發(fā)展的一項(xiàng)高新技術(shù)。隨著三維激光掃描儀在地質(zhì)、交通、航空航天、地震監(jiān)控等領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用，這種技術(shù)已經(jīng)引起了廣大工程技術(shù)人員的關(guān)注。利用三維激光掃描技術(shù)獲取的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可快速建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則場(chǎng)景的三維可視化模型，既省時(shí)又省力，這種能力是現(xiàn)行的三維建模軟件所不可比擬的。

某引水工程隧洞全長(zhǎng)近100 km，洞徑8 m。為了精確計(jì)算隧洞的超欠挖方量，常規(guī)方法需在隧洞內(nèi)每間隔10 m左右利用全站儀進(jìn)行橫斷面測(cè)量，需布設(shè)約100 00條橫斷面，工作量極大。洞內(nèi)條件復(fù)雜，通視條件差，故在短時(shí)間內(nèi)利用常規(guī)方法無(wú)法完成任務(wù)，由此引入三維激光掃描儀。

美國(guó)法如FARO三維激光掃描儀，以世界上最快的三維大空間激光掃描而著稱，雖在很多行業(yè)中已經(jīng)得到應(yīng)用，但在水利工程特長(zhǎng)隧洞中的應(yīng)用并不多見(jiàn)。三維激光掃描儀掃描得到隧洞的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用掃描儀后處理軟件可快速建立隧洞的三維可視化模型，并得到任意間隔的橫斷面以及擬合出實(shí)際隧洞軸線。

FARO三維激光掃描儀在隧洞內(nèi)的掃描過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單。但在掃描初期，如何確定控制點(diǎn)間距進(jìn)而保證隧洞軸線點(diǎn)位置偏差小于5 cm（業(yè)主提出）成為三維激光掃描的關(guān)鍵。由于FARO三維激光掃描儀在引水隧洞中的應(yīng)用并不多見(jiàn)，所以無(wú)同類研究可借鑒。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)大量觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合研究計(jì)算，最終確定了控制點(diǎn)間距并保證掃描得到的隧洞軸線點(diǎn)位置偏差小于5 cm。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 點(diǎn)位布設(shè)

在某一支洞洞口架設(shè)全站儀，選用Leica TS30全站儀（標(biāo)稱精度測(cè)距0.6 mm+1 ppm，測(cè)角0.5″）。獲得掃描儀每站前視2個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)、后視2個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)的精確坐標(biāo)，用于把掃描儀的獨(dú)立坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為引水隧洞工程坐標(biāo)，用2個(gè)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，其他點(diǎn)用于位置偏差計(jì)算分析。

從洞口開(kāi)始，每隔60 m架設(shè)一站三維激光掃描儀對(duì)洞壁進(jìn)行掃描，每站前后各架設(shè)4個(gè)標(biāo)靶球，掃描范圍約前后40 m，各站重疊20 m。由于現(xiàn)場(chǎng)正在施工，該段隧洞從洞口開(kāi)始只能進(jìn)入到洞內(nèi)約200 m處，觀測(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí)往測(cè)觀測(cè)3站(第1至3測(cè)站)，返測(cè)觀測(cè)3站(第4至6測(cè)站)。詳見(jiàn)圖1。

圖1 往返測(cè)示意圖

圖中：C1，C2為第1測(cè)站后視的2個(gè)棱鏡坐標(biāo)點(diǎn)；

C3，C4為第2測(cè)站后視的2個(gè)棱鏡坐標(biāo)點(diǎn)；

C5，C6為第3測(cè)站后視的2個(gè)棱鏡坐標(biāo)點(diǎn)；

C7，C8為第3測(cè)站前視的2個(gè)棱鏡坐標(biāo)點(diǎn)，也是第4測(cè)站后視的2個(gè)棱鏡坐標(biāo)點(diǎn)；

C9，C10為第4測(cè)站前視的2個(gè)棱鏡坐標(biāo)點(diǎn)；

C11，C12為第5測(cè)站前視的2個(gè)棱鏡坐標(biāo)點(diǎn)；

C13，C14為第6測(cè)站前視的2個(gè)棱鏡坐標(biāo)。

全站儀觀測(cè)的棱鏡中心比掃描儀的標(biāo)靶球中心高出0.024 m，把全站儀得到的各點(diǎn)的高程減去0.024 m,最終得到表1的已知坐標(biāo)。

表1 全站儀測(cè)得的已知坐標(biāo)m

全站儀的標(biāo)稱精度較高，考慮到洞內(nèi)觀測(cè)條件較差，分別取測(cè)角1.0″，測(cè)距1 mm+1 ppm，則最遠(yuǎn)點(diǎn)的平面點(diǎn)位精度約為1.4 mm，可把全站儀觀測(cè)得到的C1-C14作為已知點(diǎn)用于三維激光掃描儀的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和精度分析。

2.2 拼接誤差分析

方案1：采用4個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云拼接，以C1和C2為已知控制點(diǎn)，見(jiàn)表2。

表2 方案1計(jì)算結(jié)果匯總m

方案2：采用4個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云拼接，以C13和C14為已知控制點(diǎn)，見(jiàn)表3。

方案3：采用4個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云拼接，以C7和C8為已知控制點(diǎn)。

表3 方案2計(jì)算結(jié)果匯總

表4 方案3計(jì)算結(jié)果匯總

3個(gè)方案分別選取測(cè)段的起點(diǎn)、中間點(diǎn)、終點(diǎn)的坐標(biāo)作為已知控制點(diǎn)，采用4個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云拼接。從表2至表4的計(jì)算結(jié)果可知，按每60 m間隔作為一站進(jìn)行掃描，每300 m引入一個(gè)（或一對(duì)）控制點(diǎn)，得到的隧洞軸線點(diǎn)位置偏差可以滿足小于5 cm的精度要求。

3 結(jié)語(yǔ)

美國(guó)FARO三維激光掃描儀已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，在工作過(guò)程中需要注意根據(jù)工程的精度要求布設(shè)控制點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)間距是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，其對(duì)測(cè)量外業(yè)工作量、測(cè)量工期、成果精度都起到了決定性的作用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了每300 m布設(shè)一個(gè)（或一對(duì)）控制點(diǎn)，得到的隧洞軸線點(diǎn)位置偏差可以滿足小于5 cm的精度要求，為即將開(kāi)展三維激光掃描業(yè)務(wù)的單位或個(gè)人提供一定的數(shù)據(jù)支持。

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