三維激光掃描技術(shù)在水工隧洞測量中的應(yīng)用

李鵬犇

（山西省水利發(fā)展中心，山西 太原 030002）

1 工程概況

1.1 工程簡介

山西省某引調(diào)水工程，主要任務(wù)是引黃入晉，起到充沛水資源、多源互補、保障應(yīng)急、豐枯調(diào)劑的作用，供水范圍涵蓋山西多個市（縣），是山西輸水線路較長、受益人口較多的引水工程。該工程主要建設(shè)內(nèi)容包括水工隧洞、泵站廠房、變電站、管理站等建筑物，其中水工隧洞是整個工程的重要組成部分之一，主要用于灌溉、供水、輸水等。

1.2 選區(qū)測量地點及其地質(zhì)條件

根據(jù)三維激光掃描儀與全站儀測量的特點及工程施工進度安排，選取該工程施工07標17號支洞，控制主洞樁號60+141—61+159段（長1 018 m），作為本次技術(shù)研究的數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場。該段洞身穿過地層為奧陶系下統(tǒng)，圍巖巖性為薄層白云質(zhì)灰?guī)r夾泥質(zhì)白云巖、中硬巖、垂直節(jié)理，圍巖類別為IV類。

2 測量準備

2.1 儀器配置

表1 儀器設(shè)備配置表

儀器使用前，全部經(jīng)過省級以上儀器檢定機構(gòu)的檢定，且在有效檢定期內(nèi)；現(xiàn)場使用前，對設(shè)備對中精度、i角、儀器的往返測距、測角等精度進行自檢，自檢合格后投入使用。

2.2 坐標高程校準

平面高程系統(tǒng)均采用由施工方提供的與原設(shè)計一致的坐標系統(tǒng)。掃描作業(yè)前，在工作面進行現(xiàn)場踏勘，排除障礙物等干擾因素，尋找控制點。嚴格按照三等水準測量精度（見表2）要求對控制點進行檢核，對控制點精度不滿足要求的，從洞外勘探院提供的基準點開始向洞內(nèi)重新布置導(dǎo)線控制點，對控制點間距大于150 m的，按同精度要求進行加密。

表2 三等水準測量精度 單位：mm

3 實施測量

3.1 三維激光掃描儀掃描方法

在全站儀測定標靶球控制點基礎(chǔ)上，利用三維激光掃描儀通過標靶球拼接點云進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，設(shè)站點間距分別為20 m、30 m、40 m，進行三次不同間距掃描，以20 m間距為例，具體作業(yè)流程及技術(shù)要求如下：

（1）設(shè)站方法及技術(shù)要求：在測量區(qū)域內(nèi)按設(shè)站點間距放置標靶球，即兩個標靶球間隔20 m；儀器設(shè)站為兩個標靶球中間位置，確保每站至少有兩個標靶球。

（2）掃描方法及技術(shù)要求：設(shè)站點間距為20 m；采用全景掃描方式，即360°全方位掃描。單站掃描作業(yè)示意圖見圖1。

圖1 三維激光掃描示意圖

3.2 傳統(tǒng)隧洞斷面測量掃描方法

傳統(tǒng)斷面測量是在控制點范圍內(nèi)利用全站儀進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，然后通過測點繪制隧洞斷面。本次測量采用全站儀50 m間距斷面控制，具體作業(yè)流程及技術(shù)要求是，在兩個已知控制點內(nèi)每隔50 m設(shè)站，通過已知控制點確定設(shè)站，在隧洞斷面上分布測點，測出斷面的具體樣貌。

3.3 測量注意事項

（1）測量采用ATR自動照準方式、電子記錄，以自動化軟件控制測量過程、精度指標，避免人為誤差。測量時輸入現(xiàn)場量測的氣溫、氣壓進行距離修正，嚴格對中整平，測量前后進行檢查。

（2）現(xiàn)場繪制草圖，結(jié)合點位分布、點位通視情況及根據(jù)現(xiàn)場觀測條件編制觀測計劃，確保觀測方法合理、聯(lián)測點位準確。

（3）每站多測回數(shù)據(jù)采集前，應(yīng)對所要觀測的點位進行檢測，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)在草圖上標注距離、高差、方位或角度值，檢查前后視往返測距離差是否滿足精度要求。

（4）發(fā)現(xiàn)距離較差超限時，應(yīng)現(xiàn)場查找原因，誤差消除后才可進行多測回數(shù)據(jù)采集工作；超限不能消除時，應(yīng)制定返工測量方案。

5）測量前校核輸入儀器高、各觀測點棱鏡高，以便測點高程準確推算。

4 數(shù)據(jù)處理及分析

4.1 數(shù)據(jù)收集

三維激光掃描方法：將現(xiàn)場掃描zfs數(shù)據(jù)導(dǎo)出，再將zfs數(shù)據(jù)導(dǎo)入Z+FLaser軟件進行點云拼接，輸入控制點數(shù)據(jù)進行最小二乘法計算。導(dǎo)出asc點云數(shù)據(jù)，刪掉隧洞中儀器、行人、風(fēng)筒帶、電線、管道等造成的遮擋點，留下干凈的點云數(shù)據(jù)，進行后續(xù)處理。

全站儀測量方法：將現(xiàn)場測點數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cass軟件，導(dǎo)出dat數(shù)據(jù)，繼而將dat數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cass軟件進行提取各站測點坐標，整理坐標后生成hdm格式數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Cass軟件可得斷面圖。

4.2 同斷面測點數(shù)據(jù)分析

選取一個具有代表性斷面，將三維激光掃描數(shù)據(jù)與全站儀測量數(shù)據(jù)處理后疊加在一起進行對比分析，如圖2。

圖2 三維激光掃描儀掃描斷面與全站儀測量斷面疊加圖（單位：m）

由圖3可以看出，全站儀測量斷面的輪廓線是由一個斷面的個別點位（黑點標注處）測量完成后，由線段連接而成，三維激光掃描儀掃描斷面則是由連續(xù)不間斷的點連接形成。

圖中數(shù)據(jù)顯示，除了A點相差0.021m和B點相差0.071 m外，其余點位均重合，重合率為87.5%，且三維激光掃描測量出的斷面成果比全站儀測量斷面成果更豐富，更全面，更能反映出斷面的實際情況。

4.3 三維激光掃描技術(shù)優(yōu)缺點分析

經(jīng)過現(xiàn)場測量實驗及后期數(shù)據(jù)分析對比，三維激光掃描技術(shù)較傳統(tǒng)全站儀掃描技術(shù)具有以下優(yōu)點：

（1）點云密度大，每秒可掃描100多萬個點；

（2）掃描速度快，每站掃描時間約3 min 20 s；

（3）通過掃描出的現(xiàn)場實際模型與設(shè)計模型對比可檢查出軸線偏移問題，隨機檢查任一樁號斷面尺寸（精確至毫米），可計算任一洞段的超欠挖量；

（4）1∶1完全還原現(xiàn)場情景，為后期二襯工作提供真實的初支數(shù)據(jù)模型，以便準確計算襯砌厚度及二襯混凝土用量。

三維激光掃描技術(shù)存在與全站儀掃描相同的缺點，如現(xiàn)場測量時，需要較多工作人員輔助配合，數(shù)據(jù)量大，處理步驟較為繁瑣，無論是儀器現(xiàn)場操作還是后期數(shù)據(jù)處理，對技術(shù)人員水平要求較高。

5 結(jié)語

三維激光掃描儀具有精度高，點云密度大，在數(shù)據(jù)可靠的前提下比傳統(tǒng)全站儀測量更全面，更能反映出斷面實際情況，可為后期處理初支侵限、軸線偏移、二襯混凝土的用量等提供可靠的數(shù)據(jù)支持。通過激光測繪，為水利工程高質(zhì)量施工提供高精度、高效率的施工數(shù)據(jù)。