天寶三維激光掃描儀在防空洞測量中的應用

呂國娟，王傳先，劉平利，張鴻祥

（1.河南省地質科學研究所，河南 鄭州 450001；2.河南省城市地質工程技術研究中心，河南 鄭州 450001；3.河南省地質調查院，河南 鄭州 450001）

20世紀70年代國內很多城市都建設了一定數(shù)量的地下防空洞。這些防空洞內部年久失修，存在洞壁破損、漏水、倒塌、淤埋等現(xiàn)象，不僅會威脅進入防空洞工作人員的人身安全，還會對地表建筑、行人、行車安全產生隱患。因此，需要對地下防空洞進行維修、灌漿等工程設計和施工。灌漿方數(shù)測量、維修面面積測量等是首先需要解決的問題，傳統(tǒng)測量采用全站儀斷面測量法。本文利用天寶SX10三維激光掃描儀進行防空洞測量，并與傳統(tǒng)測量方法進行了比較。人防工程建筑公司委托河南省地質科學研究所進行灌漿容積計算和防空洞內部空間位置與形狀測量，涉及防空洞長度2.6 km，防空洞內部支洞分布較多、淤埋較多。

1 傳統(tǒng)全站儀斷面測量法

1）導線測量。采用TOPCON型0.5″全站儀對預先埋設的圖根點進行邊角測量，路線在防空洞兩端出口處與已知點附和形成附和路線，共設計圖根點9個，采用南方平差易進行計算。

2）平面和斷面測量。利用全站儀在防空洞內進行碎步點測量，采集防空洞的特征點，繪制洞內平面圖，掌握防空洞的走向、形狀；同時在防空洞空間大小突變和走向發(fā)生變化的位置進行防空洞斷面測量，為容積計算提供基礎數(shù)據(jù)。本次工作測量斷面15個[1]。

3）容積計算。根據(jù)所測斷面進行斷面面積計算，把整個防空洞分割成若干個形態(tài)相對規(guī)則的形體進行計算。由于防空洞內部為人工設計，防空洞內部形態(tài)較規(guī)則，面積計算相對簡單，可直接轉換成圓錐、圓柱或半圓柱體的體積計算，從而得到洞內容積[2]。

2 天寶SX10三維激光掃描法

2.1 導線測量

由于天寶SX10三維激光掃描儀具有全站儀功能，且精度完全能滿足要求，因此本文采用天寶SX10三維激光掃描儀對預先埋設的圖根點進行邊角測量，路線在防空洞兩端出口處與已知點附和形成附和路線，共設計圖根點9個，采用南方平差易進行計算。

2.2 三維掃描

天寶SX10三維激光掃描儀具備高端全站儀功能和近景拍攝測量技術功能，可為測繪、工程、掃描等專業(yè)工作人員提供先進的解決方案，在一定意義上重新定義了專業(yè)測量設備和作業(yè)方式。天寶SX10三維激光掃描儀能采集各種組合的高密度和高精度3D掃描成果數(shù)據(jù)、高精度全站儀數(shù)據(jù)，使得工作人員在控制測量時能獲得所需成果、在大量任務中節(jié)省時間和人力[3]。天寶的閃電3DM技術，使天寶SX10三維激光掃描儀能同時獲得高精度的全站儀測繪數(shù)據(jù)和精準的高速度三維掃描影像，比以往更高效。系統(tǒng)設計的新技術，使天寶SX10三維激光掃描儀可提供更高精度、更大效益和更豐富的細節(jié)。天寶SX10三維激光掃描儀與Trimble Access、Trimble Business Center軟件的完美結合，使得工作人員更容易熟悉和高效進入測量工作流，能更快地進入工作狀態(tài)，順利開展工作[4]。本次防空洞測量長度為2.6 km。三維影像掃描點云渲染如圖1所示。

圖1 三維影像掃描點云渲染圖

天寶SX10三維激光掃描儀在復雜的空間和現(xiàn)場對物體表面情況進行激光光束快速掃描，獲得物體表面的方位角、天頂距、斜距和反射強度等，儀器系統(tǒng)會自動存儲并計算，獲得點云數(shù)據(jù)每個點的點位坐標，屬于激光測距儀和激光角度測量儀的自動快速化系統(tǒng)組合[5]。天寶SX10三維激光掃描儀的最遠距離可達數(shù)千米，掃描頻率可達每秒幾十萬次，幾乎可無死角進行全面掃描。通過專業(yè)傳輸軟件，可把數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X，對點云數(shù)據(jù)進行計算機數(shù)據(jù)處理，形成可視化三維點云數(shù)據(jù)；可將物體的表面特征以點的方式顯示出來，并能馬上提取測量每個點位的坐標；還可對點云數(shù)據(jù)進行轉換，快速提取所需數(shù)據(jù)到CAD軟件下進行操作，構建被測物體的三維模型以及線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù)。

掃描操作過程與全站儀原理相同，均利用圖根點設站定向原理完成，可保證測量結果的準確性，避免手持三維激光掃描儀產生較大誤差[6]。掃描點云數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 天寶SX10三維激光掃描點云數(shù)據(jù)

2.3 容積計算

相對于傳統(tǒng)測量方法，天寶SX10三維激光掃描儀的容積計算更加準確，特別是地物不規(guī)則時，更能顯示容積計算的準確度。對于防空洞容積計算，利用天寶RealWorks軟件從直觀的點云數(shù)據(jù)中截取所需計算容積的長度，即可方便快捷地計算得到所截取段的容積[7]。

3 測量方法與精度比較

3.1 測量方法比較

1）存儲方式由原來的平面數(shù)據(jù)形式轉化為三維點云數(shù)據(jù)形式，數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式更加直觀，數(shù)據(jù)查詢和提取更加方便和快捷，更容易獲取真正需要的數(shù)據(jù)信息。

2）天寶SX10三維激光掃描儀測量耗時比全站儀更短，而采集的數(shù)據(jù)量卻更多，可在短時間內完成面掃描，獲得大量的點云數(shù)據(jù)，能體現(xiàn)物體表面的每個細節(jié)，提高了數(shù)據(jù)計算精度。

3）測量過程不受環(huán)境明暗影響，避免了全站儀測量平面圖需要在明亮環(huán)境下尋找特征點的弊端，在一定程度上減少了特征點漏測現(xiàn)象，實現(xiàn)了整個外業(yè)的非接觸式測量，提高了工作效率。

4）傳統(tǒng)全站儀測量是在測完平面圖后再進行斷面等測量，反復入場，存在大量重復工作；而天寶SX10三維激光掃描儀測量能一次性完成外業(yè)工作，后期所需數(shù)據(jù)可直接從外業(yè)采集完成的點云數(shù)據(jù)中提取，減少了大量多余工作量[8]。

5）由于防空洞內視線不好，很多塌方、淤埋現(xiàn)象不易被發(fā)現(xiàn)。三維激光掃描點云數(shù)據(jù)能將塌方位置、淤埋深度等信息直觀地展現(xiàn)出來，并可直接提取塌方方數(shù)、淤埋深度和方量。

6）天寶SX10三維激光掃描儀的工作原理與全站儀相同，均通過圖根點設站和定向來完成，外業(yè)測量精度主要由儀器自身精度指標決定，因此新儀器的引進完全能保證常規(guī)測量精度。

3.2 天寶SX10三維激光掃描儀測量精度分析

在防空洞測量中，本文將全站儀測量結果與天寶SX10三維激光掃描儀測量結果進行比較，提取兩次測量數(shù)據(jù)的共同特征點，對平面和高程進行較差，結果如表1所示，可以看出，平面較差最大為0.036 m，高程較差最大為0.039 m，精度完全滿足本次測量要求。

表1 防空洞測量精度統(tǒng)計表/m

4 結語

通過比較分析可知，天寶SX10三維激光掃描儀能使工作效率得到很大提升，三維點云數(shù)據(jù)存儲形式能使數(shù)據(jù)的表現(xiàn)更加直觀，能一次性完成外業(yè)工作，后期所需數(shù)據(jù)可直接從外業(yè)采集的點云數(shù)據(jù)中提取，減少了大量多余工作。三維激光掃描點云數(shù)據(jù)能將塌方位置、淤埋深度等信息直觀地展現(xiàn)出來，且可直接提取塌方方數(shù)、淤埋深度和方量。通過比較提取的特征點坐標和高程發(fā)現(xiàn)，該方法的測量精度完全滿足防空洞修復需求，提高了土方量和防空洞容積的計算精度，為防空洞的修復治理提供了準確的數(shù)據(jù)基礎。