地下人防通道工程測量技術方法探討

孔莉明（太原市測繪研究院，山西 太原 030002）

0.引言

太原市雙塔寺地下人防通道修建于20世紀70年代。隨著時間的推移，受限于當時的修建條件、使用材料、工藝水平的影響，該人防工程多處滲水，部分區(qū)域甚至發(fā)生了坍塌。因雙塔陵園需重新設計、建設公園，并可能將原地下人防通道開放使用，需將地下人防通道的平面位置、布局及埋深等基本信息準確地測繪出來，以確保施工過程中對地下人防通道的保護。

雙塔寺地下人防通道環(huán)境惡劣，內(nèi)部無照明設備，空氣稀薄，局部有淤泥和封堵情況；布局錯綜復雜，和通道相連設有各類洞室。測量條件不理想，測量難度較大。且雙塔寺地下人防通道修建伊始，由多家單位聯(lián)合修建，受限于當時的條件，本項目施測前無對地下通道平面位置描述準確的圖紙及地下通道埋深等信息。為確保在本次施工過程中地下通道不被破壞，同時可能對地下人防通道進行開發(fā)利用、維護修繕，準確了解地下通道的健康狀況，故急需測量地下人防通道的平面位置及布局、地下人防地表高程、洞頂高程、地下人防地表位置及埋深。

1.工程測量實施方案

通過分析已有資料、現(xiàn)場踏勘后，對該地下人防戰(zhàn)備工程測量技術方法進行研究探討，確定主要工作內(nèi)容為首級控制測量、導線測量、洞穴測量、示位測量、地面三維激光掃描測量等。具體包括E級GPS控制點測量，四等水準測量；約6.2km地下三級導線測量；約6.2km地下人防通道及房間的平面位置測量、洞底和洞頂標高測量；約6.2km定位地下人防通道的地表位置測量，計算埋深。

實施方案為現(xiàn)場踏勘、GPS控制點（導線點和水準點）的選取與布設、各項地下人防戰(zhàn)備工程測量施測、測量數(shù)據(jù)處理、成果整理等，具體作業(yè)流程（如圖1所示）:

圖1 地下人防通道工程測量作業(yè)流程圖

2.地下人防通道施測技術路線

2.1 點位選取與布設

2.1.1 GPS控制點布設

依據(jù)項目設計要求，GPS控制點選取與布設應滿足下列要求：GPS控制點點位應選在土質堅實、穩(wěn)固可靠的地方，且每個GPS控制點至少有1個通視方向，通視條件好，方便后續(xù)的導線測量；GPS控制點點位應選在視野開闊，高度角在15°以上的范圍內(nèi)，無障礙物；點位附近不應有強烈干擾接收衛(wèi)星信號的干擾源或強烈反射衛(wèi)星信號的物體；GPS點埋設選用7cm GPS專用觀測鋼釘直接釘入地面。

2.1.2 水準點布設

本項目水準點利用布設的GPS控制點。

2.1.3 導線點布設

依據(jù)項目設計要求，地下人防通道內(nèi)導線點的選取應滿足下列要求：地下人防通道內(nèi)拐角較多，故選取導線點時在滿足規(guī)范要求的前提下應盡可能地增大導線邊的長度，導線點宜選取在地下人防通道拐角、岔口處。經(jīng)現(xiàn)場踏勘，通道正中間為人防排水，導線點埋設時應避開排水的溝渠蓋板；導線點埋設用10cm螺紋鋼釘直接釘入地面；點號依據(jù)前期踏勘時標注的洞室標號進行次級命名。

2.2 控制測量

2.2.1 平面控制測量

施測前，按要求制訂好觀測計劃，明確基本技術要求、GPS測站作業(yè)要求及觀察過程中禁止操作規(guī)定等。實際測量過程嚴格按照觀測計劃執(zhí)行，保證觀測質量，輸出整理觀測成果數(shù)據(jù)。

本項目平面首級控制設計時擬采用GPS靜態(tài)觀測的方式進行，但在觀測完成后進行GPS解算時，發(fā)現(xiàn)部分點的觀測質量一般，影響了靜態(tài)基線解算及平差。因受限于測區(qū)的條件，故實際施測時并未重新進行靜態(tài)觀測。而是采用單基準站（TYCORS站）直接獲取控制點獨立坐標（快速靜態(tài)）的方式并用全站儀觀測各控制點通視方向的角度、距離。經(jīng)過計算，這種方式獲取的控制點平面坐標精度較好，本項目中用來代替原設計中的靜態(tài)觀測。通過快速靜態(tài)的測量方法，解算結果經(jīng)過實地測量驗證，精度良好，滿足要求。

2.2.2 高程控制測量

按照國家四等水準測量要求，采用水準測量的方法，與選取的已知二等水準點進行聯(lián)測。

水準測量的具體技術要求（如表1、表2所示）：

表1 水準觀測的視線長度、前后視距差和視線高要求

表2 水準觀測的限差

2.3 導線測量

地下人防通道無可用光源，本次導線測量配備專人進行照明工作，保證基座的對中、整平精度。

2.3.1 導線平面測量

為了提高觀測精度，本次選用0.5″級儀器進行導線測量，使用徠卡TS50測量機器人自動觀測。

水平角觀測采用方向觀測法，水平角精度要求（如表3所示）：

表3 水平角觀測要求

距離觀測精度要求（如表4所示）：

表4 水平角觀測要求

2.3.2 導線高程測量

垂直角及邊長測量要求（如表5所示）：

表5 垂直角及邊長測量要求

因地下人防在各個出入口處高差較大，垂直角觀測值容易超限。經(jīng)研究，本項目在地下人防出入口處觀測時增加了測回數(shù)。儀器在自動觀測時若觀測值超限，則立即報警并重新開始本測回觀測。高精度測量儀器的使用確保了本次導線測量及三角高程測量的觀測質量。

2.4 洞室測量

三維激光掃描技術通過高速激光掃描測量的方法，以點云的形式獲取物體或地形表面的三維空間信息和反射率信息，能夠準確獲取目標對象的紋理信息。相較于與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法，該技術具有效率好、精度高、非接觸主動測量等優(yōu)勢，有效避免了傳統(tǒng)作業(yè)方式外業(yè)勞動強度大、時間長、重復測量、工作效率低等缺點，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術手段。

本項目的洞室測量采用三維激光掃描結合導線及碎部測量的方式，來確定洞室的相對位置及絕對位置。在布設的導線點上架設全站儀，采集人防洞室的關鍵節(jié)點，并在后期處理過程中與采集的碎部點坐標相結合處理，以提高洞室的平面位置精度。三維激光掃描測量選用天寶TX5型三維激光掃描儀。

2.4.1 測站選取及儀器架設原則

（1）本次選取儀器有效掃描距離約測站前后視距20m，故測站間間距不宜超過35m，同時為確保工期，儀器架設距離不宜過短。

（2）在地下通道岔口處應架設儀器。

（3）因三維激光掃描儀存在底部60°掃描盲區(qū)，為了盡可能減少掃描盲區(qū)對成果的影響，儀器不宜架設過高。

（4）架設儀器時應將腳架底部螺旋旋轉至腳尖露出，檢查儀器底座的穩(wěn)定性、底座卡扣工作狀態(tài)、儀器與腳架的固定旋鈕、伸縮性腳架的固緊螺絲等，上述檢查完畢后將儀器安置在腳架上，并整平。

（5）每4-5測站需聯(lián)測洞內(nèi)導線點。

2.4.2 標靶球擺放要求

測站間利用標靶球和洞內(nèi)特征點進行拼接。標靶球擺設不應擺設為等邊三角形，測站前進方向應確保有3個以上的特征點及標靶球，以便后期的點云數(shù)據(jù)匹配。標靶球擺設時應避開本站掃描盲區(qū)并考慮下一站的儀器架設位置。

2.4.3 三維激光掃描

（1）技術指標

主要利用三維激光掃描進行洞室及主洞的平面位置測量，依據(jù)規(guī)范要求及本次項目定級，三維激光掃描連續(xù)拼接次數(shù)不應超過5次，故需在掃描中帶入部分控制點，以便后期點云數(shù)據(jù)的拼接及精度驗證。

三維激光掃描主要技術要求為：在掃描過程中，要求觀測人員記錄觀測起始時間后躲避至掃描有效范圍外，根據(jù)儀器預算掃描時間，計算當前測站掃描結束時間，待掃描完成聽到儀器提示音后，方可靠近儀器。掃描完成后，根據(jù)屏幕顯示的掃描點云數(shù)據(jù)結果，粗略尋找標靶球,確保能進行順利拼接。掃描時應確保拐角、岔口處的掃描質量。人防入口處應掃描已知控制點，應保證在1測站掃描3個以上控制點，以便后期點云數(shù)據(jù)的定位。

單測站掃描結束后，在儀器上對測站數(shù)據(jù)進行簡單的查看，主要查看內(nèi)容包括標靶球是否全部掃描上，標靶球在本測站的點云數(shù)據(jù)中是否清晰可見，拍攝照片過程中是否有人員走動，是否有手電等高亮度光源影響拍攝質量等。若某一測站掃描質量不佳，需重新進行掃描。

受洞內(nèi)環(huán)境、測量條件的限制，本次作業(yè)采用點云數(shù)據(jù)先整體拼接，后驗證精度的作業(yè)方式。將地下人防的三維激光掃描數(shù)據(jù)完全拼接、定位后，在點云數(shù)據(jù)里采集放置在導線點上的標靶球坐標。與經(jīng)過平差處理后的導線點坐標進行比對（經(jīng)實驗研究確定比對密度為6 point/150m）。存在部分區(qū)域不能滿足6 point/150m的導線點比對密度，需外業(yè)全站儀采集部分洞室特征點，特征點應采集特征線與地面相交處節(jié)點。

（2）數(shù)據(jù)處理

利用掃描時聯(lián)測的地表控制點及洞內(nèi)聯(lián)測的部分導線點進行點云數(shù)據(jù)的絕對定位。在絕對定位過程中發(fā)現(xiàn)，由于點云數(shù)據(jù)量較大，計算機無法運行。故本項目采用分段絕對定位的方式進行點云定位。點云絕對定位精度最大殘差為0.3m。由于殘差過大，不滿足本次測量的精度要求，故將點云拼接成果投影成圖片，將圖片導入到軟件中采集洞內(nèi)的輪廓，并將采集的輪廓與全站儀測量獲取的洞內(nèi)的碎部點結合，對洞室的平面絕對位置進行糾正。用這種后處理方式進行絕對定位，糾正后的人防洞室輪廓與外業(yè)實測的地表出入口、通風口等擬合較好，經(jīng)過比對，最大誤差約0.13m，能夠滿足本次使用。

利用點云數(shù)據(jù)，采集洞室凈高變化處的洞內(nèi)凈高。結合洞內(nèi)布設導線點的三角高程信息及全站儀碎部點采集的洞室高程信息，來確定洞內(nèi)的頂高、底高。地表高程利用高分辨率航攝資料立體采集獲取，外業(yè)對部分航測點進行了檢核。重點采集地表覆蓋類型變化、高程變化處的地表高程信息。通過洞內(nèi)地面高程、洞室凈高（洞頂高程）、地表高程來反映地下人防的埋深信息。

2.5 示位測量

導線測量及洞室測量結束后，整理出地下人防的平面位置信息。利用RTK、全站儀對地下人防平面位置關鍵性節(jié)點進行定位，采集節(jié)點所在的地表高程，計算埋深。當?shù)叵氯朔揽邕^建筑時，需如實采集人防線路上建筑物的散水及正負零高程。部分人防通道位于現(xiàn)狀施工區(qū)內(nèi)，在施工區(qū)內(nèi)的示位測量時，地面高程起伏較大，需在數(shù)據(jù)中備注說明。

2.6 精度評定

本項目中，由于數(shù)據(jù)量較大，測站數(shù)較多，通過軟件內(nèi)置的絕對定位功能進行定位的結果不能滿足要求（精度0.3m）。經(jīng)探討研究，采用后處理的定位方式，即點云拼接結束后，將點云拼接成果進行投影，輸出投影圖片（0.03m/pixel），采集投影圖片的輪廓信息，利用全站儀測量的洞內(nèi)特征點，進行洞室輪廓的糾正。糾正結果與地面實測的出入口、排氣孔、瞭望哨等進行比對。經(jīng)比對，最大偏差約13cm，滿足精度要求。

3.結束語

本項目涉及到的測量內(nèi)容較多，綜合性較強，實施過程采用了一些較新的測量技術和測量儀器，并嚴格遵守相關規(guī)范和技術標準，準確測定了地下人防通道的平面位置、布局及埋深等基本信息，保證成果滿足要求，為后續(xù)對雙塔寺地下人防通道保護工作的開展奠定基礎。