三維激光掃描系統(tǒng)在大型吹填項(xiàng)目的應(yīng)用

張健良，趙寶帥

（中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510290）

0 引言

隨著國(guó)家的快速發(fā)展，基建行業(yè)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，總體呈現(xiàn)出規(guī)模龐大、質(zhì)量要求高、工期要求緊等特點(diǎn)。而測(cè)量工作作為基建項(xiàng)目的“眼睛”，也隨著基建行業(yè)的發(fā)展，不斷地進(jìn)行技術(shù)革新。近年來(lái)，一些高精度、高效率的測(cè)量方法如攝影測(cè)量、遙感技術(shù)和激光測(cè)量等逐步在大型項(xiàng)目中推廣應(yīng)用[1]。

三維激光掃描技術(shù)是20 世紀(jì)90年代中期開始出現(xiàn)的一項(xiàng)高新技術(shù)，是繼GPS 空間定位系統(tǒng)之后又一項(xiàng)測(cè)繪技術(shù)新突破。它通過高速激光掃描測(cè)量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術(shù)較大程度地改善了傳統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)量?jī)x器數(shù)據(jù)采集密度不足、作業(yè)效率低，難以滿足大型基建項(xiàng)目測(cè)量需求的問題。

本文闡述了Riegl VZ-400i 定點(diǎn)三維激光掃描系統(tǒng)在香港國(guó)際機(jī)場(chǎng)第三跑道填海工程（簡(jiǎn)稱香港三跑工程）外業(yè)測(cè)量工作中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了大范圍區(qū)域、軟弱堆填區(qū)域、邊坡區(qū)域的快速測(cè)量與成圖，較大程度地提升了測(cè)量精度、測(cè)量效率及測(cè)量的安全性，解決了傳統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)難以滿足測(cè)量需求的問題，為大型項(xiàng)目的測(cè)量組織提供了參考方向，具有較好的借鑒意義[2]。

1 項(xiàng)目概況及特點(diǎn)

香港三跑工程位于香港現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)北側(cè)，在已有的雙跑道北側(cè)增加一條新跑道，計(jì)劃填海造地約650 hm2，回填施工總工程量約9200 萬(wàn)m3，陸上地基處理工藝包括強(qiáng)夯密實(shí)、陸上深層水泥攪拌樁、陸上高壓旋噴樁和振沖密實(shí)等。項(xiàng)目概況見圖1。

圖1 香港三跑工程位置概況Fig.1 Location overview of Hong Kong three runway project

本項(xiàng)目工期要求高，陸域面積和回填工程量大，成陸速度快，回填工序與地基處理工序之間相互干擾嚴(yán)重。高峰期每日有7～8 組吹填設(shè)備同時(shí)進(jìn)行水力吹填施工，10 個(gè)以上的陸推工作面同時(shí)進(jìn)行陸域回填施工，回填量高達(dá)15 萬(wàn)m3/d。同時(shí)，施工過程中涉及多次回填施工與地基處理施工工作界面轉(zhuǎn)換，每次轉(zhuǎn)換都需要進(jìn)行場(chǎng)地測(cè)量，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高要求后方可進(jìn)行工作面交接。

鑒于上述要求，高峰期日測(cè)量面積約60 萬(wàn)～70 萬(wàn)m3/d，而傳統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)量?jī)x器如全站儀、手持RTK 等難以滿足施工的進(jìn)度和需求。為提升測(cè)量效率、測(cè)量精度及對(duì)復(fù)雜地形的適應(yīng)性，引進(jìn)奧地利Riegl 公司生產(chǎn)的Riegl VZ-400i 定點(diǎn)三維激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行外業(yè)測(cè)量相關(guān)工作。

2 系統(tǒng)介紹

2.1 掃描原理

無(wú)接觸式高速激光測(cè)量，以點(diǎn)云形式獲取掃描物體表面的三維數(shù)據(jù)。主要采用脈沖測(cè)距法[3]，即掃描儀發(fā)射一個(gè)激光脈沖信號(hào)，經(jīng)物體表面反射后，最終被接收，此過程可計(jì)算出掃描儀到目標(biāo)點(diǎn)的距離S=vt/2（v 為激光在空氣中的傳播速度，t 為發(fā)射激光到接收所需時(shí)間）；系統(tǒng)同步觀測(cè)二者的水平方向角α 和垂直方向角度θ，由三角函數(shù)關(guān)系計(jì)算出掃描點(diǎn)P 與站點(diǎn)O 的坐標(biāo)增量，最后加上站點(diǎn)O 的坐標(biāo)值（由GNSS 接收機(jī)提供），即可求出目標(biāo)點(diǎn)P 的三維坐標(biāo)值[4]。坐標(biāo)計(jì)算如圖2 所示。

圖2 坐標(biāo)計(jì)算Fig.2 Coordinates calculation

2.2 系統(tǒng)組成

Riegl VZ-400i 定點(diǎn)三維激光掃描系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求采用車載或三腳架獲取數(shù)據(jù)，是一款超高性能3D 激光掃描系統(tǒng)，常用工作模式的單站掃描僅需30 s，自動(dòng)新建站點(diǎn)，工作效率極高。

掃描系統(tǒng)與傳統(tǒng)測(cè)量中的全站儀相似，不同之處在于掃描系統(tǒng)采集的是一系列高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了由點(diǎn)到面的數(shù)據(jù)全覆蓋，可進(jìn)行三維建模[5]。系統(tǒng)由GNSS 接收機(jī)、照相機(jī)、測(cè)距和測(cè)角單元、IMU（慣導(dǎo)系統(tǒng)）、羅盤和其他構(gòu)件組成（圖3）。其中GNSS 接收機(jī)可將當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)引入到點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果中，避免相對(duì)坐標(biāo)下的點(diǎn)云模型轉(zhuǎn)換到絕對(duì)坐標(biāo)下模型精度下降的問題；IMU 提供速度、航向和姿態(tài)角；羅盤起到定向作用，可自動(dòng)整平，對(duì)數(shù)據(jù)拼接起到至關(guān)重要的作用。

圖3 系統(tǒng)組成Fig.3 System composition

2.3 系統(tǒng)特點(diǎn)及技術(shù)參數(shù)

Riegl VZ-400i 定點(diǎn)三維激光掃描系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)[6]：

1） 高精度、高效率、主動(dòng)性。能快速獲取目標(biāo)物體的三維坐標(biāo)，掃描角度大（垂直100°/水平360°），最高可測(cè)50 萬(wàn)點(diǎn)/s，且數(shù)據(jù)密度達(dá)到0.2 mm/點(diǎn)，大大提高了工作效率；主動(dòng)發(fā)射激光，無(wú)需外部光源，可進(jìn)行夜間作業(yè)。

2） 非接觸式測(cè)量。無(wú)需接觸被測(cè)物體即可快速獲取確定目標(biāo)的三維信息，解決了對(duì)危險(xiǎn)目標(biāo)和人員不易到達(dá)區(qū)域測(cè)量等問題，大大保障了人員的安全。

3） 數(shù)據(jù)信息豐富。除目標(biāo)物體的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)外還包括反射信號(hào)強(qiáng)度、影像信息等，達(dá)到“實(shí)景復(fù)制”的效果。

4） 機(jī)動(dòng)、靈活。可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形變化，車載和三腳架切換使用。

設(shè)備參數(shù)及與傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器參數(shù)的對(duì)比見表1[7]和表2。

表1 Riegl VZ-400i 技術(shù)參數(shù)Table 1 Riegl VZ-400i technical parameters

表2 Riegl VZ-400i 與傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器參數(shù)對(duì)比Table 2 The comparison of parameters between Riegl VZ-400i and traditional instruments

3 三維激光掃描系統(tǒng)的應(yīng)用

Riegl VZ-400i 定點(diǎn)三維激光掃描系統(tǒng)在香港三跑工程的應(yīng)用主要包括：陸域高程測(cè)量，攪拌樁地基處理溢出物測(cè)量以及邊坡監(jiān)測(cè)測(cè)量等。三維激光掃描系統(tǒng)在香港三跑工程的應(yīng)用流程圖如圖4 所示。

圖4 Riegl VZ-400i 應(yīng)用流程Fig.4 Application flow chart of Riegl VZ-400i

3.1 精度分析

選擇在天氣晴朗、通視條件良好，平整度較好的一塊區(qū)域（200 m×200 m）提前進(jìn)行全站儀地形測(cè)量，數(shù)據(jù)間距8 m/點(diǎn)，作為系統(tǒng)外符合（儀器與全站儀數(shù)據(jù)進(jìn)行的精度比對(duì)）；提前根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，制定好掃描路線，每50 m 架設(shè)Riegl VZ-400i，共3 站，每站達(dá)到50%以上重疊度，在此區(qū)域均勻放置30 個(gè)由特殊材料制作成的圓形反光片，用以Riegl VZ-400i 進(jìn)行內(nèi)符合（儀器各測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行的精度比對(duì)）[8]。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見圖5，內(nèi)、外符合比對(duì)結(jié)果見表3 和表4。

表4 外符合比對(duì)Table 4 Comparison of outer coincidence

圖5 Riegl VZ-400i 掃描站點(diǎn)和路線圖Fig.5 Scanning station points and route of Riegl VZ-400i

表3 內(nèi)符合比對(duì)Table 3 Comparison of inner coincidence

根據(jù)JTS 181-5—2012《疏浚與吹填工程施工設(shè)計(jì)規(guī)范》，地形點(diǎn)平面互差不應(yīng)大于0.04 m，高程測(cè)量誤差不應(yīng)大于0.05 m。由表3 可知，平面互差和高程互差均滿足要求；由表4 可知，Riegl VZ-400i 與全站儀高程值平均互差為0.04 m，合格率96.9%，結(jié)果基本滿足要求，經(jīng)統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，互差較大的點(diǎn)（約20 個(gè)）基本分布在距離站點(diǎn)較遠(yuǎn)的邊緣位置和重疊度較低的區(qū)域。

3.2 陸域高程測(cè)量

陸域高程測(cè)量包括場(chǎng)地整平區(qū)、水力管頭吹填作業(yè)區(qū)和陸域推填施工區(qū)測(cè)量等，高峰期日測(cè)量面積約60 萬(wàn)～70 萬(wàn)m2/d。

Riegl VZ-400i 定點(diǎn)三維激光掃描系統(tǒng)的外業(yè)采集數(shù)據(jù)主要工作內(nèi)容包括：根據(jù)測(cè)量區(qū)域環(huán)境制定掃描路線，對(duì)儀器的GNSS 接收機(jī)進(jìn)行比對(duì)，將儀器安裝在車上并設(shè)置掃描參數(shù)；測(cè)量實(shí)施過程中，按照50～100 m 的間距布置掃描站點(diǎn)，相鄰掃描站點(diǎn)轉(zhuǎn)換時(shí)，行車速度控制在10 km/h；每個(gè)站點(diǎn)的掃描時(shí)間為5 min，每個(gè)站點(diǎn)獲取測(cè)量數(shù)據(jù)的有效覆蓋范圍可達(dá)150～200 m。按照上述方法進(jìn)行外業(yè)測(cè)量有利于測(cè)量數(shù)據(jù)的拼接，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。車載激光安裝見圖6。

圖6 Riegl VZ-400i 車載Fig.6 Riegl VZ-400i vehicle-mounted

以面積約40 萬(wàn)m2（1000 m×400 m）的陸域測(cè)量為例，采用Riegl VZ-400i 定點(diǎn)三維激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，掃描站點(diǎn)布置和行車路徑示意圖見圖7，測(cè)量數(shù)據(jù)的采集約耗時(shí)2 h；若采用傳統(tǒng)手持RTK 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，則需耗時(shí)約5.5 h。Riegl VZ-400i 定點(diǎn)三維激光掃描系統(tǒng)的使用不僅大大提高了工作效率，還降低了外業(yè)測(cè)量的工作強(qiáng)度。

圖7 陸域測(cè)量掃描站點(diǎn)和路徑圖Fig.7 Scanning station points and route of land measurement

3.3 攪拌樁地基處理溢出物測(cè)量

本項(xiàng)目的地基處理工藝包括陸上深層水泥攪拌樁、高壓旋噴樁、強(qiáng)夯密實(shí)、振沖密實(shí)等。其中陸上深層水泥攪拌樁和高壓旋噴樁在施工過程中會(huì)產(chǎn)生溢出物，這些溢出物需與水泥和砂按一定比例混合后再作為填料使用，為便于回填材料管理和提高資源的利用率，需對(duì)其進(jìn)行精確測(cè)量。

溢出物因其土質(zhì)松軟濕潤(rùn)，地勢(shì)高，地形高差變化大等特點(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)測(cè)量難以實(shí)施。采用Riegl VZ-400i 定點(diǎn)三維激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行溢出物測(cè)量，利用其垂直方向掃描開角大（仰角40°/俯角60°），可通過調(diào)整基座來(lái)改變激光在垂直方向上的發(fā)射傾斜度等優(yōu)勢(shì)，能有效地提高站間數(shù)據(jù)的重疊度及減少掃描盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)較為完整地獲取溢出物的細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)的目標(biāo)，為后續(xù)回填材料管理提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。溢出物測(cè)量掃描站點(diǎn)布置和行車路徑示意圖見圖8。

圖8 溢出物測(cè)量掃描站點(diǎn)和路徑圖Fig.8 Scanning station points and route of spill measuremeat

3.4 邊坡監(jiān)測(cè)測(cè)量

為確?；靥钭鳂I(yè)的安全性及提升回填施工計(jì)劃的可執(zhí)行性，需盡量準(zhǔn)確地獲取回填邊坡的坡度數(shù)據(jù)和潮間帶高程數(shù)據(jù)。通過在距坡頂1～2 m的位置架設(shè)Riegl VZ-400i 定點(diǎn)三維激光掃描系統(tǒng)，利用其掃描覆蓋范圍廣的優(yōu)勢(shì)（可覆蓋邊坡范圍約13～15 m），可實(shí)現(xiàn)邊坡和潮間帶高程數(shù)據(jù)采集的完整性。特征斷面見圖9。

圖9 特征斷面圖Fig.9 Typical section drawing

以周長(zhǎng)約1.5 km 的邊坡區(qū)域?yàn)槔?，通過Riegl VZ-400i 定點(diǎn)三維激光掃描系統(tǒng)可覆蓋危險(xiǎn)測(cè)量區(qū)域約1.5 萬(wàn)m2。監(jiān)測(cè)實(shí)例見圖10。

圖10 儀器架設(shè)位置和覆蓋范圍線Fig.10 Scanning position and cover scale line

通過Riegl VZ-400i 定點(diǎn)三維激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行邊坡監(jiān)測(cè)測(cè)量，不僅確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，也保障了測(cè)量人員的人身安全。

4 結(jié)語(yǔ)

Riegl VZ-400i 定點(diǎn)三維激光掃描系統(tǒng)在香港三跑工程上的應(yīng)用，較大程度地改善了傳統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)量?jī)x器數(shù)據(jù)密度不足、作業(yè)效率低等問題，并憑借其高精度、高效和安全等特點(diǎn)，完成了多種復(fù)雜環(huán)境下的測(cè)量工作，且數(shù)據(jù)信息豐富，算量更精準(zhǔn)，能夠及時(shí)為施工提供較好的參考。如果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)，如小型沙灘車代替三腳架、基座安裝升降平臺(tái)等，可適應(yīng)更多不同的測(cè)區(qū)環(huán)境和減少掃描盲區(qū)，更好地應(yīng)用于其他大型基建項(xiàng)目。

隨著信息技術(shù)、科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)愈加成熟，其運(yùn)用的領(lǐng)域也愈加廣泛，具有良好的應(yīng)用前景。