基于三維激光掃描技術(shù)的 隧道檢測(cè)技術(shù)研究

文選躍

隨著我國(guó)交通建設(shè)水平的不斷提高，隧道工程項(xiàng)目的規(guī)模與數(shù)量也有了較大的提升，在其施工中，隧道檢測(cè)是獲取隧道基本信息的重要環(huán)節(jié)，獲取的信息數(shù)據(jù)也會(huì)直接影響隧道的施工質(zhì)量與施工安全性。目前三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，將該技術(shù)應(yīng)用到隧道檢測(cè)中能夠使得隧道信息獲取與處理更為便捷、高效、可靠，而且還能夠利用三維展示將數(shù)據(jù)信息更加直觀地進(jìn)行表達(dá)，從而幫助相關(guān)人員對(duì)隧道工程進(jìn)行詳細(xì)的分析?；诖?，本文就三維激光掃描技術(shù)的隧道檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了分析。

三維激光掃描技術(shù)起源于20世紀(jì)90年代，近幾年在文物考古、建筑測(cè)繪、地形測(cè)量、交通事故調(diào)查等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。在隧道檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用中。三維激光掃描技術(shù)主要利用的是激光測(cè)距的原理，其能夠快速且自動(dòng)的獲取測(cè)得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集效率相比傳統(tǒng)的單點(diǎn)采集更高，也更加準(zhǔn)確，對(duì)保障隧道工程項(xiàng)目的施工質(zhì)量與施工安全發(fā)揮著重要的作用。

一、三維激光掃描技術(shù)

1.概念

三維激光掃描技術(shù)采用的是激光測(cè)距的原理實(shí)現(xiàn)非接觸、快速獲取地物目標(biāo)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)和紋理（影像）數(shù)據(jù)，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后進(jìn)行三維建模，以此可以將復(fù)雜環(huán)境下的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)以三維的形式展示給相關(guān)工作人員，為空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)提供豐富的數(shù)據(jù)源。其在實(shí)際應(yīng)用中主要使用的設(shè)備是三維激光掃描儀，在激光測(cè)距儀與反射棱鏡的支持下完成測(cè)距掃描，同時(shí)其還集成了激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、軟件及附屬設(shè)備，測(cè)量速度較快，獲取的數(shù)據(jù)信息精確度也比較高。

2.運(yùn)行原理

在三維激光掃描技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，首先需要激光測(cè)距儀發(fā)射激光，進(jìn)入隧道的激光會(huì)發(fā)生反射，測(cè)距儀在接收反射回的激光信號(hào)，這一來(lái)回就完成了測(cè)距作業(yè)。之后建立起自定義坐標(biāo)系，三維激光掃描儀發(fā)射器發(fā)射激光脈沖信號(hào)，激光脈沖信號(hào)進(jìn)入到隧道中遇到自然物就會(huì)形成漫反射并最終反傳至接收器中，在此基礎(chǔ)上精準(zhǔn)測(cè)量激光脈沖橫向與縱向掃描角度觀測(cè)值，最后運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)處理軟件將所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

3.特點(diǎn)

三維激光掃描技術(shù)具有如下特點(diǎn)，一是具有快速性，通過(guò)操作三維激光掃描儀就能夠?qū)λ淼纼?nèi)部空間進(jìn)行快速的掃描，并得出數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)也會(huì)及時(shí)進(jìn)行更新；二是采樣率比較高，掃描過(guò)程中可以大面積采集目標(biāo)物體的表面信息，同時(shí)采集數(shù)據(jù)速度達(dá)到每秒幾萬(wàn)點(diǎn)到幾百萬(wàn)點(diǎn)之間；三是具有實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性、主動(dòng)性，借助三維激光掃描儀，開(kāi)展工作的時(shí)候不會(huì)受到光照、氣壓等外界條件的影響；四是具有非接觸性的特點(diǎn)，在隧道檢測(cè)中只需要借助三維激光掃描系統(tǒng)發(fā)射出的激光信號(hào)以及反射棱鏡發(fā)射和接收反射信號(hào)的方式就可以完成信息數(shù)據(jù)的采集，全程不需要測(cè)量人員接觸測(cè)量物體，在對(duì)環(huán)境復(fù)雜的隧道進(jìn)行檢測(cè)時(shí)候，非接觸性也能夠大大保障測(cè)量人員的安全；五是具有全數(shù)字特征、自動(dòng)化特點(diǎn)，三維激光掃描技術(shù)采集的信息具有數(shù)字特性，方便顯示輸出，而且可靠性好，在數(shù)據(jù)的采集、處理與建模過(guò)程中都呈現(xiàn)較明顯的自動(dòng)化，比如：數(shù)據(jù)采集工作是通過(guò)TCP/IP或者平行連線接口來(lái)控制，數(shù)據(jù)處理與建模使用的是一些處理軟件等，而且掃描的三維信息數(shù)據(jù)具有兼容性，可操作性較好；六是系統(tǒng)擁有外置（或內(nèi)置）數(shù)碼相機(jī)，對(duì)實(shí)地的目標(biāo)物體選擇有較大幫助，也能夠適應(yīng)多種不良環(huán)境，而且是由軟件通過(guò)平臺(tái)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼相機(jī)的控制，處理較為簡(jiǎn)單；七是新型掃描系統(tǒng)擁有定位裝置，以便可以將掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接輸出為絕對(duì)坐標(biāo)，提高生產(chǎn)效率。由此可見(jiàn)，三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值較高，在隧道檢測(cè)中更是有效提高了檢測(cè)質(zhì)量與安全。

二、基于三維激光掃描技術(shù)的隧道檢測(cè)技術(shù)

1.隧道數(shù)據(jù)采集

隧道數(shù)據(jù)信息是隧道施工的基礎(chǔ)保障，在其采集過(guò)程中首先需要對(duì)隧道的實(shí)際情況有一個(gè)初步的了解，并以此確定三維激光掃描站點(diǎn)數(shù)與具體位，其中站點(diǎn)位置應(yīng)該在其有效的掃描測(cè)程之內(nèi)。隨后還需要確定隧道內(nèi)的正北方向，并使其與掃描儀Y軸正方向形成夾角，三腳架臺(tái)面保持水平，然后以此為基點(diǎn)進(jìn)行三維激光掃描工作，所得出的數(shù)據(jù)結(jié)果需要詳細(xì)進(jìn)行記錄。三維掃描基點(diǎn)確定以后以全站儀對(duì)該基點(diǎn)三維坐標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和記錄，從平面控制測(cè)量與高程控制測(cè)量?jī)蓚€(gè)方面來(lái)進(jìn)行控制測(cè)量，得出測(cè)量結(jié)果以后進(jìn)行平差計(jì)算，并以此來(lái)得出較為精準(zhǔn)的靶標(biāo)點(diǎn)位。將三腳架設(shè)置在基點(diǎn)位置并使其保持制動(dòng)狀態(tài)，對(duì)三腳架與微調(diào)掃描儀底座下方的圓水準(zhǔn)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，始終保持其處水平狀態(tài)，然后打開(kāi)電源并插入網(wǎng)線，然后利用掃描軟件確定儀器掃描區(qū)域的角度是否合適，采集間距是否準(zhǔn)確，并設(shè)置好亮度、精度等參數(shù)后開(kāi)始進(jìn)行掃描工作，最終得到精確的隧道數(shù)據(jù)信息，采集完數(shù)據(jù)以后還需要將標(biāo)靶的位置記錄下來(lái)。需要注意的是，在掃描工作中應(yīng)該控制好掃描方式，掌握好掃描頻率，確保運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)所獲取的隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠組成完整的點(diǎn)云圖，滿足隧道檢測(cè)工作的多元化信息需求。

2.隧道數(shù)據(jù)處理

在隧道數(shù)據(jù)的采集環(huán)節(jié)中會(huì)得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，之后需要對(duì)其進(jìn)行處理，具體包括了導(dǎo)入、噪聲去除、多視對(duì)齊、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)，以此來(lái)確保數(shù)據(jù)信息的科學(xué)性，并以此來(lái)為隧道施工提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持。首先，需要將獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照規(guī)范的數(shù)據(jù)處理流程導(dǎo)入到界面中，并將其中不存在聯(lián)系的點(diǎn)云數(shù)據(jù)篩選出來(lái)并清除，避免干擾問(wèn)題，該環(huán)節(jié)就屬于噪聲去除；然后進(jìn)行多視對(duì)齊，其主要目的就是為了將點(diǎn)云技術(shù)對(duì)齊與拼接，但是在掃描中經(jīng)常會(huì)遇到掃描目標(biāo)比較大得情況，或者掃描的環(huán)境比較復(fù)雜，在這種情況下還需要從不同的角度、不同的位置進(jìn)行重復(fù)性掃描；除噪、多視對(duì)齊環(huán)節(jié)完成以后還需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行著色與渲染，其主要目的是獲得更加真實(shí)的數(shù)據(jù)效果，提高三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用效果，一般來(lái)說(shuō)，掃描工作中獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量比較龐大，曲面重構(gòu)的效果以及隧道檢測(cè)的精確度也會(huì)受到一定影響，因此可以通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)處理來(lái)解決這樣以問(wèn)題，一般常用的精簡(jiǎn)方式為:平均精簡(jiǎn)→在未處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中每n個(gè)點(diǎn)中保留1個(gè)→按照一定距離精簡(jiǎn)→完成精簡(jiǎn)之后，需要注意的是，點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離應(yīng)該大于某一個(gè)固定值，這樣也可以最大程度上確保隧道檢測(cè)的精確性。之后在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的過(guò)程中還需要確定坐標(biāo)零點(diǎn)，并將其作為中心點(diǎn)確定相對(duì)坐標(biāo)。需要注意的是，在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以后還應(yīng)該結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配拼接處理，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)點(diǎn)可以轉(zhuǎn)換至大地坐標(biāo)系上。

3.隧道建模分析

在隧道數(shù)據(jù)采集以及隧道數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上還需要進(jìn)行隧道建模，在建模過(guò)程中需要嚴(yán)格按照所采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及經(jīng)過(guò)處理后的高精確性的數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)，以便確保建模的精準(zhǔn)性。一般三維激光掃描儀獲取的隧道數(shù)據(jù)是以曲面的形式表現(xiàn)出來(lái)的，在曲面重構(gòu)的基礎(chǔ)上可以完成三維模型的構(gòu)件，相關(guān)建模人員可以結(jié)合隧道的實(shí)際情況，并利用Cyclone軟件進(jìn)行建模，在此基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)隧道工程的全方位了解，并及時(shí)地調(diào)整施工方案等，在上述操作中，整個(gè)隧道的施工情況也能夠被明確掌握，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行施工不僅可以提高施工質(zhì)量，也能夠保障施工安全。

三、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隧道檢測(cè)是當(dāng)前隧道施工過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，檢測(cè)質(zhì)量直接會(huì)影響隧道工程的施工質(zhì)量以及施工安全，基于三維激光掃描技術(shù)的隧道檢測(cè)技術(shù)主要就是從隧道數(shù)據(jù)采集、隧道數(shù)據(jù)處理以及隧道建模等方面發(fā)揮作用，使得隧道檢測(cè)中能夠得到精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息，并以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)隧道的三維建模，方便了相關(guān)施工人員對(duì)隧道施工方案的科學(xué)調(diào)整與優(yōu)化，最大程度上保障了施工的安全性與施工質(zhì)量。在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值也會(huì)不斷提高，隧道檢測(cè)以及相關(guān)建筑施工在三維激光掃描及數(shù)的支持下也會(huì)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的發(fā)展，從而為現(xiàn)代社會(huì)的良好建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。