基于三維激光掃描的電纜隧道竣工測量方法研究*

馮艷杰 鄭莉

1. 深圳供電規(guī)劃設(shè)計院有限公司 廣東 深圳 518004；2. 武漢大學(xué)測繪學(xué)院 湖北 武漢 430000

引言

根據(jù)深圳市市政府2014年頒布的《深圳市地下管線管理辦法》規(guī)定，地下管線工程施工活動完成后，建設(shè)單位應(yīng)當(dāng)及時組織竣工驗收，報規(guī)劃國土部門備案，并移交給城建檔案管理機(jī)構(gòu)[1]。電纜隧道作為城市發(fā)展到一定階段對地下空間集約化利用的一種產(chǎn)物，在深圳市建設(shè)的越來越多，需進(jìn)入隧道內(nèi)進(jìn)行測量，其方法不同于傳統(tǒng)的管線探測，隧道內(nèi)電纜、支架等附著設(shè)施復(fù)雜，測量難度很大，測量效率很低。

傳統(tǒng)的電纜隧道竣工驗收測量工作通常采用全站儀進(jìn)行測量，隧道內(nèi)作業(yè)面窄，傳統(tǒng)的實(shí)用全站儀的測量方法效率比較差，并且也無法獲取電纜隧道的全貌。三維激光掃描技術(shù)是一種非接觸式的測量技術(shù)，可以克服傳統(tǒng)測量技術(shù)的不足，能快速準(zhǔn)確地獲取大量觀測點(diǎn)的三維空間點(diǎn)云坐標(biāo)，進(jìn)而獲取更加全面的電纜隧道信息。

本文將以220kV深水甲乙線隧道竣工驗收測量工作為例，對三維激光掃描技術(shù)在電纜該項目中的應(yīng)用展開闡述，詳細(xì)介紹電纜隧道斷面測量工作與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的整個過程，并將運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)獲得的斷面測量成果與全站儀測量成果進(jìn)行對比，驗證采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行電纜隧道竣工驗收測量的可靠性[2]。

1 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描技術(shù)是一項測繪數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的偉大革新，該技術(shù)具有實(shí)時、主動、使用等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)獲得的原始數(shù)據(jù)是大量的、密集的離散的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的集合。該技術(shù)使測繪數(shù)據(jù)的獲取、處理和服務(wù)應(yīng)用等方面都進(jìn)入新的發(fā)展階段。

三維激光掃描儀，主要包括測距和掃描兩大功能系統(tǒng)，并集成了數(shù)字?jǐn)z影、儀器內(nèi)部校正等功能。三維激光掃描儀的工作原理是掃描儀對待測目標(biāo)發(fā)射激光束，激光發(fā)射時間和返回時間有時間差，通過計算時間差可得出掃描儀與所測目標(biāo)的距離，根據(jù)與水平方向、垂直方向的角度，計算出所測目標(biāo)點(diǎn)位的三維坐標(biāo)值，三維掃描儀自動存儲并記錄儲存，最后使用后處理軟件進(jìn)行處理建模，即可得到所測目標(biāo)物體的三維模型[3]。

2 三維激光掃描技術(shù)流程

2.1 外業(yè)采集

電纜隧道空間作業(yè)面非常狹窄，三維掃描儀的架設(shè)和測量工作不易開展，因此測量前需要進(jìn)行現(xiàn)場的踏勘，確定所有測站的位置和標(biāo)靶的位置，并根據(jù)隧道內(nèi)現(xiàn)場實(shí)際情況，確定掃描的分辨率大小，本次作業(yè)采用的三維激光掃描儀是徠卡ScanStation C10，作業(yè)流程如下：

2.1.1 現(xiàn)場踏勘。根據(jù)電纜隧道內(nèi)部的現(xiàn)場實(shí)際情況，首先確定儀器架設(shè)的合適位置，設(shè)計出合適的測站數(shù)量，確保能夠掃描到所有需要掃描的區(qū)域，并能保證點(diǎn)云獲取精度，隧道由于其狹長的結(jié)構(gòu)，距離越遠(yuǎn)，掃描的密度越低。因此為了保證后期數(shù)據(jù)處理有足夠的點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度，掃描分辨率盡可能設(shè)置得高一些，并且保證測站點(diǎn)和前一測站的標(biāo)靶要通視，以保證數(shù)據(jù)采集的精度。

2.1.2 標(biāo)靶布設(shè)。在電纜隧道這種狹長通道中布設(shè)控制網(wǎng)也非常麻煩，并且電纜隧道壁上往往沒有明顯的可用于匹配的特征點(diǎn)，因此我們選用球形標(biāo)靶作為測站之間的點(diǎn)云配準(zhǔn)點(diǎn)。標(biāo)靶的布設(shè)需滿足以下條件：一是標(biāo)靶不能和測站點(diǎn)在同一直線上，二是標(biāo)靶和測站必須互相通視且距離較近，三是相鄰測站間至少要有三個公共標(biāo)靶。標(biāo)靶布設(shè)如圖1所示。

2.1.3 數(shù)據(jù)獲取。激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取可通過操作儀器直接實(shí)現(xiàn)，開機(jī)后設(shè)置激光掃描儀的掃描范圍、角度和分辨率，首先用低分辨率進(jìn)行粗掃以確定掃描范圍，然后用高分辨率對重點(diǎn)區(qū)域比如隧道輪廓及標(biāo)靶等進(jìn)行精細(xì)掃描，以獲得精確的坐標(biāo)，最終為后期斷面提取提供精確的原始數(shù)據(jù)[4]。

2.2 內(nèi)業(yè)處理

內(nèi)業(yè)處理流程如下：

2.2.1 標(biāo)靶坐標(biāo)計算。導(dǎo)入前期測量成果，計算各個標(biāo)靶的三維坐標(biāo)。

2.2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接。運(yùn)用標(biāo)靶的準(zhǔn)確坐標(biāo)進(jìn)行匹配，將每個測站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，歸算到新的三維坐標(biāo)系統(tǒng)之中。

2.2.3 噪音數(shù)據(jù)剔除。依據(jù)隧道斷面設(shè)計數(shù)據(jù)，運(yùn)用算法剔除噪音數(shù)據(jù)：電纜隧道內(nèi)的螺栓孔、螺帽及電纜、支架和附著在管壁上的其他設(shè)施等[5]。

2.2.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模。通過三維激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)是離散的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，不能精確形象地展示電纜隧道，需要將離散的點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模，生成模型來模擬電纜隧道的表面特征，建模時，首先構(gòu)建三角網(wǎng)，再進(jìn)行多邊形的修補(bǔ)，并去除多余的特征和減少多邊形數(shù)量，最后進(jìn)行平滑以及輪廓線的提取和曲面擬合。如圖2所示。

圖2 三維建模

2.2.5 提取斷面。沿隧道方向每隔10m垂直切割一個斷面，曲線段每隔5m垂直切割一個斷面，并得到一組模型。如圖3所示。

圖3 提取斷面

2.2.6 提取縱斷面線?？v斷面測量是電纜隧道竣工驗收測量的一個重要部分，隧道中心線是從提取的斷面心點(diǎn)連接起來形成的。再以里程對應(yīng)的設(shè)計線路中心為基準(zhǔn)，查找對應(yīng)位置點(diǎn)云的方式計算底高、頂高、頂?shù)撞钜约案鳒y點(diǎn)位置坐標(biāo)值。如圖5所示。

圖5 縱斷面線提取

2.2.7 成果輸出：可根據(jù)實(shí)際需要，提取并量測電纜隧道點(diǎn)云模型任意兩個指定點(diǎn)的幾何尺寸，可提取區(qū)間指定里程的斷面，并能實(shí)現(xiàn)施工后的數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)的對比分析。

3 成果精度分析

為了評定應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)獲得的斷面成果的質(zhì)量，采用常規(guī)斷面測量方法中普遍采用的全站儀放樣線路中心點(diǎn)并在隧道側(cè)壁上標(biāo)點(diǎn)測量的方法測得的成果作為真值，對其進(jìn)行檢核[6]。

在220kV深水甲乙線電纜隧道竣工驗收測量中，共檢測了50個斷面，兩種方法測量的隧道底部中心位置高程檢測差值在10mm內(nèi)的斷面比例為90%，差值在10～20mm范圍內(nèi)的斷面比例為10%，無差值大于20mm的斷面。說明三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于電纜隧道竣工驗收測量是可行的、可靠的，測量精度可以得到保證。

4 結(jié)束語

本文詳細(xì)闡述了采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行電纜隧道竣工測量的全過程。相對于傳統(tǒng)測量方法和數(shù)據(jù)處理方法，三維激光掃描技術(shù)不僅可以節(jié)約大量的時間成本和人工，還具有外業(yè)作業(yè)效率高和可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，測量的精度能夠得到保證，并且在點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集后可實(shí)現(xiàn)根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)時對斷面進(jìn)行加密的工作，而無須外業(yè)重復(fù)進(jìn)場作業(yè)，能夠完全滿足電纜隧道竣工驗收測量的需求。