三維激光掃描儀在隧道收斂測量中的應(yīng)用

高元勇++崔龍

摘 要：三維激光掃描技術(shù)是一種高精度立體全自動的掃描技術(shù)，可以快速、有效、準(zhǔn)確地獲取三維空間信息，全天候?qū)θ我馕矬w進(jìn)行掃描并獲取高精度的物體表面點(diǎn)三維信息及反射率信息。隨著該項(xiàng)技術(shù)的成熟發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)已在變形監(jiān)測、建立地面模型等方面得到了廣泛應(yīng)用，本文將對三維激光掃描儀測量誤差分析以及三維激光掃描儀在隧道收斂測量中的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)綜述。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；隧道收斂；誤差分析

中圖分類號：U456.3；P234.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）03-0118-02隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們漸漸將對客觀事物的認(rèn)知從平面二維層面轉(zhuǎn)向三維立體方向，測繪工程中的三維激光掃描技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，實(shí)現(xiàn)了測繪過程中對物體三維層面的要求，擺脫了傳統(tǒng)測量儀器的局限性，是直接獲取所要高精度三維數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)可視化的三維重要手段，極大的降低了測量的成本，時間上更節(jié)約，使用更方便，而且范圍應(yīng)用的更廣，在森林和農(nóng)業(yè)、戰(zhàn)場仿真、文物保護(hù)、工程測量、變形監(jiān)測、醫(yī)學(xué)研究等領(lǐng)域都有很大的發(fā)展空間。三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，大大地拓寬了測量的領(lǐng)域，提高了測量的效率，簡化了測量的強(qiáng)度，是目前迅猛發(fā)展并廣泛應(yīng)用的新技術(shù)之一。

1 三維激光掃描技術(shù)的原理

三維激光掃描儀含括了多種先進(jìn)的測量技術(shù)，可以在不接觸物體的狀態(tài)下主動對物體進(jìn)行測量，在獲取點(diǎn)云形式之后測量到復(fù)雜的地形及物體的表面，由點(diǎn)集成的三維數(shù)據(jù)，協(xié)同多種測距法的作用下計(jì)算出每個點(diǎn)的三維坐標(biāo)，其中經(jīng)常用到的測距方法有三角測距法、脈沖測距法以及相位測距法。

三維激光掃描系統(tǒng)根據(jù)工作原理大致分為以下三類：

（1）徑向三維激光掃描儀。運(yùn)用脈沖測距技術(shù)在固定中點(diǎn)順著視線進(jìn)行距離測量，測量到的距離可超過100m，每秒可以測得大于1000個點(diǎn)。

（2）相位干涉法掃描系統(tǒng)。通過連續(xù)的激光發(fā)射波，利用光學(xué)干涉原理得到干涉相位的測量方法，此方法適合短距離的測量，測量范圍通常不超過50m，每秒鐘可以成功測的10000至50000個點(diǎn)。

（3）三角法掃描系統(tǒng)。在獲得兩條光線信息的基礎(chǔ)上，通過立體相機(jī)與機(jī)構(gòu)化的光源，建立出立體的投影關(guān)系。此方法適合短距離的測量，測量范圍在2m以內(nèi)，每秒可測得100個點(diǎn)。

2 三維激光掃描儀測量誤差分析及校檢

2.1 三維激光掃描儀測量誤差分析

三維激光掃描儀避免不了在測量過程中會產(chǎn)生誤差，其中可分為兩類分別為系統(tǒng)誤差與偶然誤差，系統(tǒng)誤差可以通過多種方式來削弱，但是偶然誤差是隨機(jī)發(fā)生的，沒有辦法控制只能進(jìn)行多次的重復(fù)來減少發(fā)生這樣的誤差。

2.2 三維激光掃描儀的校檢

檢測激光掃描儀測量距離的精度，經(jīng)常用到的方法包括基線比較法和六段解析法?；€比較法的模型是對加常數(shù)和乘常數(shù)兩個參數(shù)同時進(jìn)行解算。而六段解析法消除乘常數(shù)相關(guān)影響，加常數(shù)的檢測精度較高，但只能檢測加常數(shù)。

校檢的模型包括以下三類：六段解析模型（1971年由H.R.Schwendener首次提出，也叫做六段全組合法，這種方法不需要標(biāo)準(zhǔn)基線，通過全組合方式就能獲得觀測數(shù)據(jù)）；基線比較模型；角度校檢模型。

校檢的實(shí)驗(yàn)測試分為以下幾個步驟：實(shí)驗(yàn)儀器的準(zhǔn)備以及校檢場的建立。校檢實(shí)驗(yàn)在完成測距實(shí)驗(yàn)、測角實(shí)驗(yàn)、溫度環(huán)境實(shí)驗(yàn)等才能對結(jié)果進(jìn)行分析。

測距精度和測角精度是地面三維激光掃描儀掃描數(shù)據(jù)精度的兩個主要方面，在運(yùn)用相關(guān)的校檢模型改正觀測量后，其測距與測角精度得到了明顯的提高，不同地方的環(huán)境因素對激光掃描儀的影響以及目標(biāo)物體對觀測結(jié)果的影響還需要我們進(jìn)一步的研究。

3 三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道收斂中應(yīng)用的基本思路

隧道收斂變形中用到的激光掃描技術(shù)其關(guān)鍵就是數(shù)據(jù)的處理，因此下面對數(shù)據(jù)處理研究進(jìn)行側(cè)重介紹。其整個過程按照以下的技術(shù)路線進(jìn)行：

3.1 數(shù)據(jù)的采集

（1）提前準(zhǔn)備好導(dǎo)線與水準(zhǔn)的測量方案，以激光掃描儀性能、參數(shù)和現(xiàn)場環(huán)境作為參照設(shè)計(jì)出掃描站的間距及掃描點(diǎn)的密度，得到一些掃描重疊的點(diǎn)。

（2）按照測量方案對隧道內(nèi)的導(dǎo)線及水準(zhǔn)進(jìn)行測量，將三維坐標(biāo)進(jìn)行傳遞。傳遞方式通過標(biāo)靶進(jìn)行，測量導(dǎo)線及水準(zhǔn)與觀測標(biāo)靶同時進(jìn)行。

（3）對隧道進(jìn)行三維激光掃描，同時取得隧道內(nèi)壁的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以及標(biāo)靶點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)的預(yù)處理

（1）對靶標(biāo)的三維坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算：結(jié)合導(dǎo)線及水準(zhǔn)測量結(jié)果，得到靶標(biāo)的三維坐標(biāo)。

（2）對點(diǎn)云產(chǎn)生的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸算：建立統(tǒng)一的三維坐標(biāo)系，將各個標(biāo)靶的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)歸算到一起。

（3）將數(shù)據(jù)中的噪音除去：根據(jù)隧道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，除去隧道中的噪音數(shù)據(jù)。

（4）將比較重要的管壁點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取出來：關(guān)閉的點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度并不均勻，可能是因?yàn)閽呙璧慕嵌群蛼呙璧木嚯x造成的，我們在進(jìn)行下一步數(shù)據(jù)處理之前，需要去掉那些點(diǎn)云密度大的范圍中一些可能多余的數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后在根據(jù)一定的密度將某些點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取出來，這樣可以大大提高進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理的速度。

3.3 三維模型的建立

以預(yù)處理之后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為參考生成地鐵隧道內(nèi)壁的三維模型。

3.4 成果的輸出

（1）根據(jù)地鐵隧道收斂變形測量要求，對指定管片（或每個管片、或一定間隔的管片）截取三維模型斷面，對斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行高次樣條（多項(xiàng)式）曲線擬合，將其與設(shè)計(jì)的斷面理論值進(jìn)行比較，計(jì)算出管片一周的變化量曲線，將其中的特征點(diǎn)進(jìn)行輸出，例如形變最小的的上、下、左、右或者是等角度處（如每隔10°）變形量的差值。（2）將包括每管片一周的收斂變形報(bào)告輸出。

3.5 成果的管理

三維激光掃描的成果管理最主要的形式之一就是建立數(shù)據(jù)庫，這樣不僅能對較大量的斷面數(shù)據(jù)、多次測量結(jié)果進(jìn)行有效的管理，還能夠大大地提高成果管理的效率。將每個管片測量成果進(jìn)行數(shù)據(jù)庫管理，并達(dá)到成果的瀏覽與分析效果。其主要的目的有以下幾點(diǎn)：

（1）該數(shù)據(jù)庫可以用于瀏覽每個管片斷面的變化量曲線及變形量差值。

（2）該數(shù)據(jù)庫中的測量成果可以通過地鐵隧道中軸線方向的變形影響整個趨勢，因此用來找到其他變形量大的區(qū)段。

（3）該數(shù)據(jù)庫可以建立歷史數(shù)據(jù)，幫助解決今后同一區(qū)段的變形趨勢的問題。

（4）可以根據(jù)變形的限值，建立分析預(yù)警的模型。

4 三維激光掃描技術(shù)在隧道收斂測量中的優(yōu)勢

4.1 傳統(tǒng)收斂測量方法的難點(diǎn)

隧道在發(fā)生形變之后，我們很難判斷其是相對形變還是絕對形變，所謂絕對形變是隧道環(huán)片相對于設(shè)計(jì)或者施工時各環(huán)片的絕對變化位移，這種情況是很難測定的；二相對形變是隧道的鋼體結(jié)構(gòu)相對于設(shè)計(jì)或者施工初期的相對變化位移，我們所介紹的隧道收斂變形測量指的就是測定隧道的相對形變量，來進(jìn)一步判斷隧道形變的程度。

隧道收斂測量中經(jīng)常用到布設(shè)傳感器和使用全站儀測量收斂的方法，傳感器測量隧道收斂方法雖然精度較高，但是常常受到環(huán)境的影響，尤其是在環(huán)境光源比較暗的情況下，所測量的到的結(jié)果精度不夠，而且自動化程度不高。傳統(tǒng)收斂測量的方法利用布設(shè)導(dǎo)線進(jìn)行坐標(biāo)的傳遞，通常在一圈管片上均勻設(shè)置若干個觀測點(diǎn)，在通過全站儀對各點(diǎn)進(jìn)行觀測后獲得的數(shù)據(jù)總結(jié)起來進(jìn)行隧道的變形分析，傳統(tǒng)方法有許多難點(diǎn)進(jìn)行克服，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）傳統(tǒng)方法在布點(diǎn)以及測量上無法保證各點(diǎn)嚴(yán)格地在同一條直線、共面，所以無法確定所測上下行線監(jiān)測環(huán)在同一三維激光掃描儀在隧道收斂測量中的應(yīng)用

高元勇1，2 崔龍1

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052；2.新疆疆海測繪院，新疆烏魯木齊 830002）

摘 要：三維激光掃描技術(shù)是一種高精度立體全自動的掃描技術(shù)，可以快速、有效、準(zhǔn)確地獲取三維空間信息，全天候?qū)θ我馕矬w進(jìn)行掃描并獲取高精度的物體表面點(diǎn)三維信息及反射率信息。隨著該項(xiàng)技術(shù)的成熟發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)已在變形監(jiān)測、建立地面模型等方面得到了廣泛應(yīng)用，本文將對三維激光掃描儀測量誤差分析以及三維激光掃描儀在隧道收斂測量中的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)綜述。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；隧道收斂；誤差分析

中圖分類號：U456.3；P234.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）03-0118-02橫斷面上。

（2）傳統(tǒng)方法效率較低、成本較高，并且不能保證每個管片都能觀測的到。

（3）傳統(tǒng)的收斂測量不能全方位的反映出隧道形變。

（4）傳統(tǒng)的方法對成果的分析較難，測量過程中涉及到的不可控環(huán)節(jié)較多，所測得的結(jié)果精度大幅降低。傳統(tǒng)方法不能進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)采集，更不能夠第一時間獲得成果上的指導(dǎo)。因此我們一定要采取發(fā)現(xiàn)新的測量技術(shù)。

4.2 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)

三維激光掃描技術(shù)之所以被稱為“實(shí)景拷貝技術(shù)”，是因?yàn)樗色@取任何復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境及空間目標(biāo)的三維立體信息，還能夠快速重構(gòu)目標(biāo)的三維模型及線、面、體、空間等各種帶有三維坐標(biāo)的數(shù)據(jù)，從而再現(xiàn)客觀事物真實(shí)的形態(tài)特性。

（1）在現(xiàn)代工程建筑領(lǐng)域，快速準(zhǔn)確獲取建筑三維數(shù)據(jù)，不但極大程度上豐富了三維數(shù)據(jù)展示的效果，由于其每個點(diǎn)都有三維坐標(biāo)，可提供可量測的畫面數(shù)據(jù)，為建筑工程的檢測與分析提供新的手段；

（2）其非接觸的數(shù)據(jù)獲取方式可以有效地減少傳統(tǒng)操作中不必要的破壞和損傷，為檢測保護(hù)與維護(hù)施工提供準(zhǔn)確、科學(xué)的數(shù)據(jù)，發(fā)揮高新技術(shù)的積極作用；該技術(shù)可以支撐一個快速、高效、節(jié)約成本的解決方案。

（3）三維掃描技術(shù)采集隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速分割生成切片，針對切片中的散亂點(diǎn)提出了一種多點(diǎn)坐標(biāo)平差計(jì)算圓心方法擬合切片圓心，對擬合的圓環(huán)與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，分析變化情況。本文系統(tǒng)地提出了基于三維激光掃描的隧道點(diǎn)云的收斂變形分析方法，對三維掃描技術(shù)在隧道中的應(yīng)用有一定的意義。

4.3 掃描的數(shù)據(jù)用于斷面測量還將會在以下兩個方面得到更好的發(fā)展和應(yīng)用

（1）3D建模。根據(jù)預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成地鐵隧道內(nèi)壁（包括隧道內(nèi)目前已有的附屬設(shè)施）三維模型，為今后的隧道維護(hù)恢復(fù)提供相對原始的數(shù)據(jù)資料。

（2）軸線變化和趨勢預(yù)測。將軸線與設(shè)計(jì)值的三維關(guān)系進(jìn)行比對，在測量標(biāo)志球位置真實(shí)的三維坐標(biāo)后，擬合得到的隧道軸線就相當(dāng)于真實(shí)的軸線，進(jìn)而可以對隧道軸線整體變化的情況趨勢進(jìn)行預(yù)測。

5 結(jié)論與展望

三維激光掃描技術(shù)是一種高效、便捷、節(jié)約成本的技術(shù)，高于常規(guī)測量的收斂精度，能夠?yàn)樗淼朗諗繙y量提供準(zhǔn)確、科學(xué)的依據(jù)。本文在介紹三維激光掃描儀原理、誤差產(chǎn)生及儀器校檢的基礎(chǔ)上，對三維激光掃描儀在隧道收斂測量中的應(yīng)用及優(yōu)勢進(jìn)行了詳細(xì)闡述。應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)在隧道的收斂方面，在保證掃描距離及點(diǎn)云密度的條件下，數(shù)據(jù)結(jié)果一般就能滿足隧道收斂的要求，而且該技術(shù)可以快速、完整的采集隧道內(nèi)部的表面數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)采集的速度及數(shù)據(jù)處理的效率，尤其是在隧道運(yùn)營時間間斷不能過長的情況下，采用三維激光掃描技術(shù)快速實(shí)現(xiàn)作業(yè)目標(biāo)。

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