地面三維激光掃描工程應(yīng)用綜述

慈偉主, 王 喆, 王路明, 張 亮, 曾 月, 劉艷輝

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川成都 610031)

無(wú)論是在工程的初期建設(shè)階段，還是后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段，測(cè)量都是極為重要的環(huán)節(jié)。在建設(shè)階段，測(cè)量是施工開展的第一步，測(cè)量的精度極大程度上決定了工程的質(zhì)量。而在運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段，例如橋梁和隧道的變形監(jiān)測(cè)，對(duì)鐵路運(yùn)輸尤其是高速鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩院褪孢m性是非常重要的。

高精度的全站儀出現(xiàn)以后，測(cè)量?jī)x器精度達(dá)到了前所未有的高度。但全站儀仍然是離散點(diǎn)測(cè)量模式，其有效數(shù)據(jù)量已經(jīng)越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代土木工程的要求。在實(shí)際工程對(duì)海量測(cè)量數(shù)據(jù)需求的推動(dòng)下，依托現(xiàn)代科技的發(fā)展，出現(xiàn)了集成多種高新技術(shù)的新型測(cè)繪儀器——三維激光掃描儀。

其中的地面三維激光掃描儀，可以實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜的空間和地形中對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行快速連續(xù)掃描，獲得激光點(diǎn)所掃描的物體表面的三維坐標(biāo)、色彩信息和反射強(qiáng)度——點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)專業(yè)的后處理軟件處理，可快速重構(gòu)出被測(cè)物體的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù)[1-2]。

地面三維激光掃描在諸多方面的應(yīng)用研究已廣泛地展開，并取得一系列成果。文章旨在對(duì)地面三維激光掃描在工程方面的應(yīng)用現(xiàn)狀做全面的梳理，分別闡述其在鐵路勘察設(shè)計(jì)、隧道變形監(jiān)測(cè)和橋梁變形監(jiān)測(cè)當(dāng)前的工程應(yīng)用現(xiàn)狀，最后提出了地面三維激光掃描在工程中的發(fā)展前景。

1 地面三維激光掃描儀原理

1.1 測(cè)量原理

地面三維激光掃描的核心原理是激光測(cè)距。它的工作過(guò)程，就是不斷重復(fù)的大量的數(shù)據(jù)采集和快速的數(shù)據(jù)后處理的過(guò)程。

該類儀器主要由激光掃描系統(tǒng)、激光測(cè)距系統(tǒng)、數(shù)字?jǐn)z影系統(tǒng)、操作控制與儀器內(nèi)部校正系統(tǒng)等組成。掃描目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)的原理如圖1所示。其主要參數(shù)為距離S，水平角α和豎直角θ。

圖1 三維激光掃描原理

目標(biāo)點(diǎn)P的坐標(biāo)(XS,YS,ZS)的計(jì)算公式:

XS=Scosθsinα

YS=Scosθcosα

ZS=Ssinθ

(1)

1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后期處理

三維激光掃描儀獲取的原始數(shù)據(jù)，必須要經(jīng)過(guò)后期處理后才能使用[3],[5]。原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理過(guò)程如圖2。

現(xiàn)階段已經(jīng)有很多比較成熟的商業(yè)后處理軟件，使用者可根據(jù)需要選取現(xiàn)成的商業(yè)軟件，也可自己編程進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后處理。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理過(guò)程

2 三維激光掃描儀的優(yōu)點(diǎn)

(1)數(shù)據(jù)處理量大：三維激光掃描數(shù)據(jù)采集是連續(xù)的、密集的、海量的、自動(dòng)的。適合大型及復(fù)雜的工程體測(cè)量及細(xì)致物體局部細(xì)節(jié)測(cè)量。

(2)非接觸性：無(wú)需接觸物體，且光線明暗都不影響外業(yè)測(cè)量。極大減小了外部環(huán)境對(duì)測(cè)量的約束。

(3)交互性強(qiáng)：得到的是數(shù)字化信息，可以方便地將3D模型轉(zhuǎn)換到CAD等工程設(shè)計(jì)軟件中，直接供工程使用。

(4)高精度：目前三維激光掃描儀的測(cè)量精度可以達(dá)到毫米級(jí)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理得當(dāng)，可以進(jìn)一步提高測(cè)量結(jié)果的精確度。

正是因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，地面三維激光掃描契合了我國(guó)工程發(fā)展的需求，與鐵路工程勘察設(shè)計(jì)、橋梁工程變形監(jiān)測(cè)、隧道工程變形監(jiān)測(cè)等相結(jié)合，產(chǎn)生了大量的應(yīng)用成果，極大地推動(dòng)了工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的發(fā)展。

3 三維激光掃描在工程上的應(yīng)用

3.1 在地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

在鐵路工程勘察設(shè)計(jì)初期，地形圖測(cè)繪和斷面測(cè)繪是其一項(xiàng)重要的組成部分。由于技術(shù)限制，目前，在鐵路工程設(shè)計(jì)勘察中，對(duì)于1∶2 000的大范圍地形圖測(cè)繪，一般采用航空攝影測(cè)量和機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量等技術(shù)來(lái)進(jìn)行測(cè)繪。而對(duì)于橋梁工程、隧道工程等局部重要工點(diǎn)，通常還需要額外單獨(dú)測(cè)量數(shù)據(jù)；對(duì)于1∶500的更精細(xì)的地形圖測(cè)繪，一般采用全站儀和GPS-RTK等單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)。

正線全長(zhǎng)246.6 km的張吉懷鐵路，其線路所經(jīng)的地形較為復(fù)雜、地勢(shì)險(xiǎn)峻。如果采用傳統(tǒng)的全站儀實(shí)地逐一單點(diǎn)測(cè)量，不僅測(cè)量效率極低，耗時(shí)巨大，而且測(cè)量人員的安全也無(wú)法得到保障。為避免傳統(tǒng)測(cè)量方法的缺陷，文獻(xiàn)[11]通過(guò)采取地面三維激光掃描技術(shù)，針對(duì)地形復(fù)雜、地勢(shì)險(xiǎn)峻的隧道工程進(jìn)行測(cè)量，并繪制1∶500地形圖和斷面圖。在每個(gè)隧道口測(cè)量過(guò)程中，在保證地面三維激光掃描儀測(cè)距要求的同時(shí)，選擇地勢(shì)相對(duì)平坦的位置架設(shè)儀器，進(jìn)行遠(yuǎn)距離無(wú)接觸一站式測(cè)量。平均每個(gè)隧道口的測(cè)量外業(yè)數(shù)據(jù)采集僅耗時(shí)2 h，遠(yuǎn)小于同類工程類似地形采用傳統(tǒng)測(cè)量方法的外業(yè)作業(yè)消耗時(shí)間。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理平均約耗時(shí)4 h，即得到了所需的地形圖及橫、縱斷面圖。因此， 采用地面三維激光掃描技術(shù)，在復(fù)雜地形下測(cè)量作業(yè)效率可得到極大提高，且測(cè)量人員的安全風(fēng)險(xiǎn)也得到了有效控制。同時(shí)，文獻(xiàn)[11]還對(duì)其測(cè)量的25個(gè)離散檢查點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè)，復(fù)測(cè)表明，激光點(diǎn)云的最大高程誤差僅為0.307 m，最小高程誤差0.004 m，高程中誤差為0.119 m，可以滿足工程精度要求。同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)三維激光掃描技術(shù)在樹林等植被茂密區(qū)域或高遮擋物區(qū)域的高程精度要降低，也低于旱地、巖石等裸露地表。說(shuō)明在當(dāng)前的技術(shù)條件下，應(yīng)用三維激光掃描測(cè)量時(shí)，應(yīng)盡量避免障礙物對(duì)被測(cè)物的遮擋，以保證測(cè)量的精度。

文獻(xiàn)[11]此次進(jìn)行的工程實(shí)踐驗(yàn)證了地面三維激光掃描測(cè)繪地形圖的可靠性，并充分展示了三維激光掃描在鐵路工程勘察設(shè)計(jì)中的廣闊前景，尤其是山嶺鐵路、復(fù)雜地形的勘察設(shè)計(jì)。三維激光掃描可以幫助鐵路工程師們?cè)陔U(xiǎn)峻、復(fù)雜地形中有效安全的得到各項(xiàng)測(cè)量數(shù)據(jù)，顯著降低外業(yè)工作的危險(xiǎn)性和工作強(qiáng)度。

采用地面三維激光掃描技術(shù)測(cè)繪鐵路工程設(shè)計(jì)的地形圖和斷面圖，能夠有效的減小外業(yè)數(shù)據(jù)采集的工作強(qiáng)度并提高工作效率，而獲取細(xì)致的地貌特征。但是，目前尚無(wú)同時(shí)實(shí)現(xiàn)采集、編輯、成圖的一體化平臺(tái)，使其內(nèi)業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的工作量較大。數(shù)據(jù)處理的相關(guān)理論及后處理軟件的編制優(yōu)化是該領(lǐng)域目前研究的重點(diǎn)。

3.2 隧道變形監(jiān)測(cè)

我國(guó)幅員廣闊，地形復(fù)雜，城市人口密集，交通工程中不可避免會(huì)涉及到大量的隧道工程。無(wú)論是山嶺隧道、水下隧道還是城市隧道，其變形監(jiān)測(cè)都是不可缺少的。變形量是評(píng)價(jià)隧道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的重要指標(biāo)。而傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)雖然有較高的單點(diǎn)測(cè)量精度，但是測(cè)量速度偏低，測(cè)點(diǎn)數(shù)量也相對(duì)偏少，因此無(wú)法全面的反映隧道結(jié)構(gòu)的整體變形信息。而地面三維激光掃描技術(shù)則自動(dòng)、高速、海量、高精度的獲取目標(biāo)物體的三維坐標(biāo)，從而全面的反映隧道結(jié)構(gòu)的整體變形，克服傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)在速度、整體上的局限性[4],[7]，[10]。

頂管法施工的上海市西藏路電力隧道就采用了地面三維激光掃描技術(shù)來(lái)測(cè)量其變形量。隧道圖片及通過(guò)Leica C10激光掃描儀得到的點(diǎn)云圖像見圖3。

(a) 隧道圖片

(b) Leica C10激光掃描儀 得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

在數(shù)據(jù)處理方面，由于地面三維激光掃描獲取的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)不能直觀地表示隧道的變形，因此對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了曲線擬合，使隧道變形可視化。鑒于頂管法施工的隧道大都是圓截面隧道，故采用平均變形橢圓來(lái)描述隧道結(jié)構(gòu)橫斷面的相對(duì)變形。具體的數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，首先運(yùn)用誤差分布統(tǒng)計(jì)規(guī)律將獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、平滑處理，然后對(duì)每個(gè)區(qū)段的點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取關(guān)鍵點(diǎn)，進(jìn)行橢圓曲線擬合，即得到隧道變形后的形態(tài)(圖4)。將得到的隧道變形后的形態(tài)與設(shè)計(jì)圖對(duì)比，就得到了隧道變形情況。通過(guò)對(duì)比不同時(shí)間段的三維激光掃描擬合數(shù)據(jù)，排除了施工時(shí)產(chǎn)生的誤差[7]。隧道變形監(jiān)測(cè)中應(yīng)用三維激光掃描，與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，突出展現(xiàn)了三維激光掃描在獲取數(shù)據(jù)的數(shù)量和效率上的優(yōu)勢(shì)。三維激光掃描突破了傳統(tǒng)測(cè)量方法中以離散點(diǎn)的方式獲取數(shù)據(jù)的局限，以連續(xù)曲面的形式獲取并處理數(shù)據(jù)。從而能全面反映隧道的整體變形。另外，文獻(xiàn)[4]通過(guò)與全站儀的精度比較試驗(yàn)，如圖5，發(fā)現(xiàn)利用上述的隧道三維建模算法得到的變形量與全站儀的測(cè)量結(jié)果相差在2 mm以內(nèi)。充分驗(yàn)證了三維激光掃描在隧道變形監(jiān)控領(lǐng)域的可靠性。

圖4 隧道相對(duì)變形分析結(jié)果

圖5 TS30全站儀和C10激光掃描儀的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)比較

3.3 橋梁的變形監(jiān)測(cè)

我國(guó)現(xiàn)階段建設(shè)的高速鐵路的軌道多鋪設(shè)在連續(xù)高架橋上。橋梁的整體變形就極大的影響了列車運(yùn)行的安全性及舒適性。故橋梁的變形監(jiān)測(cè)是鐵路安全管理中極為重要的部分。變形監(jiān)測(cè)時(shí)，與基于全站儀或GPS的傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)相比，三維激光掃描采樣點(diǎn)數(shù)發(fā)生質(zhì)變，形成了一個(gè)三維模型數(shù)據(jù)場(chǎng)。這能有效避免以往變形監(jiān)測(cè)方法所造成的局部性和片面性，能快速精確地反映出橋梁總體的變形趨勢(shì)和局部的變形量；且能直接生成數(shù)字化信息，為之后的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)提供了極大的便利。

文獻(xiàn)[8]對(duì)趙家壩立交某段進(jìn)行了三維激光掃描測(cè)量試驗(yàn)研究。為能夠精確獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，在立交四周布設(shè)了4個(gè)控制點(diǎn)(圖6)。掃描儀設(shè)置在ZPJ3和ZPJ4上，標(biāo)靶設(shè)置在ZPJ1和ZPJ2上，其中ZPJ1作為后視定向點(diǎn)，ZPJ2作為檢校點(diǎn)。試驗(yàn)中采用了Riegl VZ1000掃描儀進(jìn)行掃描。共對(duì)趙家壩立交試驗(yàn)段進(jìn)行了兩期掃描。

圖6 控制點(diǎn)位置示意

該試驗(yàn)重點(diǎn)探討了測(cè)量橋身整體變形時(shí)點(diǎn)云的后處理方法，點(diǎn)云的后處理通過(guò) RISCAN PRO 軟件實(shí)現(xiàn)。主要過(guò)程是先坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，后進(jìn)行拼接。具體過(guò)程為首先導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后通過(guò)軟件的 Backsighting Orientation 功能對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；最后運(yùn)用軟件的 Multi Station Adjustment 功能對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)拼接。拼接后得到試驗(yàn)段的整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其拼接精度為2 mm。

通過(guò)人機(jī)交互方式剔除多余無(wú)效的點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后，可以得到試驗(yàn)段的點(diǎn)云數(shù)據(jù)(圖7)。為使建立的模型外形平順?lè)蠈?shí)際，使用軟件的“減少噪音”功能對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行去噪處理。雖然數(shù)據(jù)更多意味著更精細(xì)，但對(duì)于建立橋身變形后的模型而言，過(guò)多的數(shù)據(jù)不僅會(huì)消耗更多資源降低建模效率，還會(huì)因模型表面過(guò)于細(xì)碎而降低模型的可用性。所以需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行合理地抽稀。利用“統(tǒng)一采樣”功能對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀處理，得到抽稀后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)(圖8)?？煽闯?，點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀處理后物體的輪廓特征并沒有太大的變化，得到了很好的保留。再運(yùn)用“封裝”功能，得到橋梁結(jié)構(gòu)的三角網(wǎng)模型(圖9)。最后將試驗(yàn)段橋面兩期模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Qualify軟件中，對(duì)每期數(shù)據(jù)之間的變化進(jìn)行提取分析(表2)。

圖7 試驗(yàn)段點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖8 點(diǎn)云抽稀處理結(jié)果

圖9 試驗(yàn)段三角網(wǎng)模型

表2 3D分析結(jié)果 mm

通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)段不同時(shí)期的模型數(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)最大偏差出現(xiàn)在模型的邊緣，同時(shí)兩期模型并沒有發(fā)生很大的變化，相互印證了模型數(shù)據(jù)的可靠性。

雖然三維激光掃描的單點(diǎn)定位精度沒有傳統(tǒng)測(cè)量方法高，但是其點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為一種整體數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)量大，交互性出色，經(jīng)過(guò)有效的后處理后，建模精度卻是很高的。三維激光掃描進(jìn)行橋梁的變形監(jiān)測(cè)，正是應(yīng)用了這一優(yōu)勢(shì)。此外，由于三維激光掃描測(cè)量的高效性，也極大縮短了因測(cè)量影響通行的時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

三維激光掃描憑借其高效率、高精度、非接觸性和交互性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在土木工程許多方面得到了應(yīng)用，并取得了一定的成果。三維激光掃描應(yīng)用的成功實(shí)踐證明，三維激光掃描應(yīng)用可以更好的指導(dǎo)鐵路的勘察設(shè)計(jì)以及橋梁工程、隧道工程的變形監(jiān)測(cè)。但是，當(dāng)前工程中三維激光應(yīng)用還處于初級(jí)階段，多數(shù)都屬于單點(diǎn)應(yīng)用，不能應(yīng)用于全局工程，而且三維激光掃描的應(yīng)用一般局限于新建工程項(xiàng)目，對(duì)于舊橋舊隧道工程的應(yīng)用較少，對(duì)于運(yùn)營(yíng)方面的應(yīng)用也較少，三維激光掃描應(yīng)用之路才剛剛開始。為了更好地促進(jìn)三維激光掃描技術(shù)在工程中的應(yīng)用，可從以下三個(gè)方面來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步的研究：

(1)軟件平臺(tái)問(wèn)題，目前尚無(wú)集采集、編輯、成圖一體化的處理平臺(tái)以更好更快速更高效的處理數(shù)據(jù)。因此，需要加快軟件開發(fā)以更快促進(jìn)其在鐵路工程上的全面應(yīng)用，提高工程效率。

(2)特殊地貌誤差源問(wèn)題，鐵路工程一般是長(zhǎng)條帶狀工程，地形起伏大、自然環(huán)境復(fù)雜。在植被茂盛、遮擋物較多的地貌，如何解決非地貌的點(diǎn)云數(shù)據(jù)攝入，降低特殊地貌誤差來(lái)源，避免局部數(shù)據(jù)與實(shí)際情況脫節(jié)，提高工程精度。

(3)橋梁、隧道變形監(jiān)測(cè)完善體系問(wèn)題，無(wú)論是三維激光掃描的變形分析理論及方法還是其變形分析結(jié)果的評(píng)價(jià)，都需要一個(gè)完善規(guī)范的理論和技術(shù)體系。