移動(dòng)式三維激光掃描技術(shù)在公路隧道溶洞測(cè)量中的應(yīng)用

聶 品

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

在喀斯特地貌區(qū)域線性工程隧道施工過(guò)程中，常常遭遇溶洞這一地質(zhì)現(xiàn)象，如果在施工過(guò)程中處理不當(dāng)，可能會(huì)引發(fā)塌方、涌水等地質(zhì)災(zāi)害，既延長(zhǎng)了施工工期，又會(huì)對(duì)施工人員的人身安全造成嚴(yán)重威脅。如何獲取溶洞形態(tài)和規(guī)模的準(zhǔn)確信息是溶洞處治的前提和難點(diǎn)[1]。然而由于洞內(nèi)情況復(fù)雜，沒(méi)有自然光線射入，通視條件差，排風(fēng)不暢，空氣質(zhì)量差，且存在暗河和積水，傳統(tǒng)的測(cè)量方法工作強(qiáng)度大、效率低、設(shè)備便攜性差，工作方式存在嚴(yán)重的安全隱患，而且得到測(cè)量結(jié)果也僅為稀疏的幾個(gè)點(diǎn)，只能反映洞內(nèi)局部現(xiàn)象。移動(dòng)式三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)，為溶洞測(cè)量提供了新的解決方案。與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比，該技術(shù)獲取的測(cè)量點(diǎn)密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)測(cè)量方法，有掃描范圍大、精度高、無(wú)需接觸測(cè)量目標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)。本文針對(duì)傳統(tǒng)溶洞測(cè)量方法存在的問(wèn)題，分析了移動(dòng)式三維激光掃描系統(tǒng)的構(gòu)成和在隧道溶洞中測(cè)量的工作原理，并在實(shí)際工程中進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用。結(jié)果證明，使用移動(dòng)式激光掃描的方法行之有效，生成的溶洞模型可直接與CAD、BIM建模軟件無(wú)縫對(duì)接，為后續(xù)的溶洞治理施工提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。

1 移動(dòng)式三維激光掃描儀技術(shù)原理與系統(tǒng)組成

移動(dòng)式激光掃描儀一般由激光傳感器、相機(jī)傳感器、慣性測(cè)量單元等設(shè)備組成。本文采用英國(guó)GeoSLAM公司生產(chǎn)的便攜式三維激光掃描儀ZEB-HORIZON對(duì)位于廣西喀斯特地貌地區(qū)正在施工中的某公路隧道溶洞進(jìn)行三維激光掃描，該掃描儀具有測(cè)程長(zhǎng)、精度高、重量輕的特點(diǎn)，每秒可獲取30萬(wàn)點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。儀器具體參數(shù)如表1所示[2]。

表1 移動(dòng)式三維激光掃描儀參數(shù)表

移動(dòng)式三維激光掃描儀利用激光器發(fā)射激光，激光到達(dá)溶洞洞頂和洞壁后反射到激光器，從而得到激光掃描儀與探測(cè)點(diǎn)之間的距離關(guān)系，同時(shí)儀器的慣性測(cè)量單元記錄儀器姿態(tài)和相對(duì)坐標(biāo)信息，通過(guò)距離關(guān)系和位置信息即可得到觀測(cè)物體的相對(duì)坐標(biāo)。掃描過(guò)程中，隨著測(cè)量人員手持掃描儀不停地移動(dòng)，就可以不斷獲得被測(cè)量地物相對(duì)掃描儀的位置坐標(biāo)。根據(jù)即時(shí)定位與地圖構(gòu)建算法(Simultaneous Localization and Mapping，SLAM)將所有的測(cè)量點(diǎn)云坐標(biāo)映射到同一相對(duì)坐標(biāo)系下，即可得到被測(cè)量地物的空間輪廓[3]。

2 數(shù)據(jù)獲取和處理流程

溶洞三維激光掃描測(cè)量工作主要可分為外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)獲取和點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模兩部分。外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)獲取主要包含數(shù)據(jù)獲取、點(diǎn)云抽稀、數(shù)據(jù)濾波、去除體外孤點(diǎn)、去除非連接項(xiàng)等工作；點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模主要包含三維模型重建、刪除釘狀物、填補(bǔ)漏洞等工作。下頁(yè)圖1為工作流程圖。

圖1 移動(dòng)式三維激光點(diǎn)云模型工作流程圖

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

掃描前需要收集測(cè)區(qū)資料，制定路線計(jì)劃，避免重復(fù)掃描，產(chǎn)生冗余激光點(diǎn)。本次掃描溶洞位于廣西喀斯特地貌地區(qū)正在施工中的公路隧道旁，溶洞洞口尺寸約為6 m×12 m，溶洞洞口周邊圍巖較破碎呈鑲嵌狀，且局部夾泥，溶洞內(nèi)比較潮濕。為了讓點(diǎn)云成果坐標(biāo)與工程建設(shè)成果坐標(biāo)相一致，在測(cè)量前需要結(jié)合地形情況在溶洞洞口附近或洞內(nèi)布置3個(gè)控制點(diǎn)，正式開(kāi)始測(cè)量前需將三維激光掃描儀放置在控制點(diǎn)上獲取相對(duì)坐標(biāo)。掃描過(guò)程中要避免過(guò)分抖動(dòng)，防止數(shù)據(jù)異常，測(cè)量掃描路線要盡量閉合，以減小測(cè)量誤差。掃描完成后需要聯(lián)合控制點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，獲取在絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.2 點(diǎn)云處理

由于三維激光掃描儀的高速掃描特性，產(chǎn)生了大量冗余的激光點(diǎn)，為了能夠提升點(diǎn)云處理效率，要在保證點(diǎn)云形態(tài)不變的情況下，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行抽稀處理，減少重復(fù)點(diǎn)云數(shù)量，提高處理效率。

由于受到測(cè)量環(huán)境中存在的水蒸氣、粉塵和儀器本身存在誤差等客觀因素影響，會(huì)產(chǎn)生大量的噪點(diǎn)和異常點(diǎn)，需借助三維點(diǎn)云處理工具裁剪出溶洞區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，隨后對(duì)裁剪好的點(diǎn)云進(jìn)行濾波、刪除點(diǎn)云的體外孤點(diǎn)、刪除非連接項(xiàng)等。將噪聲點(diǎn)去除后，可使點(diǎn)云形態(tài)貼近溶洞實(shí)際形態(tài)。

2.3 三維建模

點(diǎn)云處理好后進(jìn)行封裝處理，首先由點(diǎn)云生成若干個(gè)三角格網(wǎng)面，再由格網(wǎng)面構(gòu)成三維模型。生成的初始封裝模型中依然存在著大量的釘狀物和空面，需要進(jìn)行精細(xì)化處理，借助模型重建軟件對(duì)模型進(jìn)行表面平滑和缺失數(shù)據(jù)填充等工作，使模型的可視化表達(dá)更為合理，如圖2所示。最后將三維模型以dxf格式存儲(chǔ)，方便下一步在BIM建模軟件進(jìn)行擴(kuò)展使用。

(a)初始封裝模型

2.4 溶洞三維模型的擴(kuò)展應(yīng)用

(1)橫縱斷面圖的生成

根據(jù)公路線形和施工設(shè)計(jì)需求，可以生成相應(yīng)里程的橫縱斷面圖，在工作中，重點(diǎn)區(qū)域可采取每隔1 m生成一個(gè)縱斷面圖和一個(gè)橫斷面圖的方式，方便設(shè)計(jì)和施工人員下一步使用。見(jiàn)圖3。

圖3 斷面圖生成示意圖

(2)模型的三維展示

將溶洞的三維模型與隧道的設(shè)計(jì)線位進(jìn)行疊加，疊加后能夠清晰反映溶洞和隧道的三維位置關(guān)系，可以從軟件中量取溶洞的長(zhǎng)、寬、高、體積等數(shù)據(jù)，為下一步的災(zāi)害處治工作和工程施工提供決策依據(jù)。見(jiàn)后頁(yè)圖4。

圖4 溶洞模型圖

3 結(jié)語(yǔ)

溶洞是公路隧道建設(shè)中存在的重大安全隱患，本文采用三維激光掃描儀對(duì)隧道溶洞進(jìn)行了三維激光測(cè)量與建模工作，在得到溶洞形狀和位置信息的同時(shí)，大大提高了測(cè)量工作效率。通過(guò)工程實(shí)踐結(jié)果表明，使用移動(dòng)式三維激光掃描儀重構(gòu)溶洞三維模型方法合理有效，具有效率高、探測(cè)范圍廣、成本低廉、作業(yè)方式靈活、數(shù)據(jù)利用率高等特點(diǎn)，說(shuō)明該方法可以作為一種有效的溶洞測(cè)量方式，服務(wù)于交通工程設(shè)計(jì)與施工。