隧道工程檢測中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用分析

李鐵根

（甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

隨著我國經(jīng)濟(jì)進(jìn)入新常態(tài)，新舊動能轉(zhuǎn)換成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略基點(diǎn)，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成為推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要引擎，而產(chǎn)業(yè)升級與技術(shù)創(chuàng)新是推動經(jīng)濟(jì)增長的重要動力。然而，在當(dāng)今世界范圍內(nèi)，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不平衡、不充分問題仍然突出?；I(lǐng)域主要包括交通基礎(chǔ)設(shè)施、能源建設(shè)、水利基礎(chǔ)設(shè)施等，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資規(guī)模逐年增加，截至2019 年年底，已有超過600 座城市正在大力實施基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。隧道工程學(xué)科在培養(yǎng)具備基礎(chǔ)科學(xué)、專業(yè)基礎(chǔ)理論、專業(yè)應(yīng)用等方面能力的應(yīng)用型專業(yè)人才具有十分重要的作用。隨著國家鐵路建設(shè)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速，工程建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，隧道工程施工領(lǐng)域人才呈現(xiàn)供不應(yīng)求的趨勢，特別是高級工程技術(shù)人才，這就要求建設(shè)行業(yè)針對隧道工程建設(shè)領(lǐng)域加大人才培養(yǎng)力度，建立健全培養(yǎng)機(jī)制，并加強(qiáng)人才管理。同時，我國正在大力推動公路、鐵路、城市軌道交通工程建設(shè)行業(yè)的改革，使之朝著市場化和現(xiàn)代化方向發(fā)展。未來，國家高鐵建設(shè)將越來越專業(yè)化，而軌道交通建設(shè)是未來公路建設(shè)的重中之重，國家鐵路規(guī)劃將在2030 年前后全面建成。作為一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，隧道施工隊伍在施工過程中面臨著復(fù)雜、多變的地質(zhì)環(huán)境條件和惡劣的通風(fēng)條件，必須不斷提高技術(shù)能力和項目管理能力。

1 三維激光掃描技術(shù)簡介

三維激光掃描技術(shù)是一種利用低成本的激光進(jìn)行測量的新技術(shù)，具有采集范圍廣、高精度、無噪聲、可重復(fù)掃描等特點(diǎn)。三維激光掃描與傳統(tǒng)方法相比有許多優(yōu)勢。例如，可采用不同方式、不同的激光點(diǎn)對點(diǎn)，以獲得較高的精度、可靠性和可比性；利用圖像軟件可高精度、高效率、快速、低成本進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；可快速、高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或地圖制作。三維激光掃描主要是利用激光束（激光雷達(dá)）進(jìn)行掃描測量工作，并將測量得到的圖像存儲到計算機(jī)服務(wù)器上進(jìn)行實時數(shù)據(jù)分析處理。三維激光掃描主要有單軸激光掃描和多軸激光掃描兩種方法。

1.1 單軸激光掃描

單軸激光掃描是一種非接觸式的方法，不需要特殊的地面?zhèn)鞲衅骰蚬鈱W(xué)系統(tǒng)，由激光發(fā)射器發(fā)射和接收單軸激光脈沖。接收單軸激光脈沖時，激光束照射一個特定的點(diǎn)或者多個特定的點(diǎn)；單軸激光發(fā)射光，在光學(xué)系統(tǒng)中產(chǎn)生激光脈沖，如果該激光脈沖位于光學(xué)系統(tǒng)中特定控制點(diǎn)上，則可以控制其位置和方向。在單軸激光掃描中測量時間速度非?？臁?/p>

1.2 激光測距

激光測距的原理與多波束測速類似，但多波束測速速度快，僅需兩個激光脈沖通過一個小的接收器，使多個脈沖在一個脈沖上，所測數(shù)據(jù)非常準(zhǔn)確。例如，在相同時間內(nèi)測量距離的誤差為-196～196cm。在實際測量中利用多波束測距時，通常采用幾個波長組成連續(xù)波束和重復(fù)波束，同時也可在一個或多個脈沖之間采用多個波長組成連續(xù)波束，以得到完整的連續(xù)圖像。為了更好地了解隧道內(nèi)的結(jié)構(gòu)特征和變形特征，我們可以在任何點(diǎn)上建立多個三維模型，因此，多波束測距可以更好地了解隧道工程結(jié)構(gòu)特征。

1.3 數(shù)字幾何測量法與三維激光測量法

兩種方法都是通過設(shè)置邊界對平面進(jìn)行測量。測量過程中，使用測量裝置控制激光照射測量區(qū)域，并檢查其測量成果。隨著激光技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，數(shù)字化技術(shù)在測繪行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。目前，數(shù)字幾何測量法可以應(yīng)用于三維激光掃描和攝影測量。傳統(tǒng)幾何測量法不能直接用于測繪行業(yè)的數(shù)字化工作，但數(shù)字化測量可以對測量結(jié)果進(jìn)行處理，并以高精度的方式顯示。與傳統(tǒng)圖形測量方法相比，數(shù)字化測量法可以精確地測量高程、地形圖、坐標(biāo)系中的所有元素、控制點(diǎn)和圖斑位置。

2 三維激光掃描技術(shù)的基本原理

激光掃描技術(shù)是通過在一定波長范圍內(nèi)，激光束照射到目標(biāo)物體上，對目標(biāo)物體進(jìn)行全息成像，然后利用先進(jìn)成像識別器提取目標(biāo)物體形狀與尺寸信息等，完成二維空間坐標(biāo)檢測工作，再利用三維激光圖像對二維坐標(biāo)進(jìn)行分析，利用獲取的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行三維定位測繪工作。三維激光掃描技術(shù)使用的激光設(shè)備種類較多，主要包括掃描儀、棱鏡、準(zhǔn)直儀等。三維激光掃描技術(shù)可以進(jìn)行多目標(biāo)檢測與控制，測量時會根據(jù)實際測量情況，采用不同的掃描模式，以滿足檢測需求。由于其具有掃描速度快、范圍大、數(shù)據(jù)處理效率高等特點(diǎn)，在各類地下工程發(fā)揮非常重要的作用。

2.1 三維激光成像原理

三維激光圖像是在一定波長范圍內(nèi)，采用不同方向、不同角度的激光束，對物體進(jìn)行連續(xù)照射，然后形成光學(xué)圖像。在三維激光掃描圖像中，激光信號會形成透鏡效應(yīng)，產(chǎn)生一系列衍射波形，這種現(xiàn)象會在激光中產(chǎn)生許多微小的光學(xué)衍射，這些小徑狀條紋組成了具有幾何意義、能夠被直接觀測到的點(diǎn)云，而這些點(diǎn)云會在空間上顯示出來。這些小物體因為激光束照射后折射出不同位置時，呈現(xiàn)出不同形態(tài)，為三維激光掃描圖像提供二維成像的基礎(chǔ)。

2.2 高程精度要求

隧道工程施工中，對隧道質(zhì)量進(jìn)行控制十分重要，通過三維激光掃描可以有效避免隧道工程施工中產(chǎn)生變形、錯位等不良情況，對結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)起到保護(hù)作用，為隧道工程建設(shè)提供良好保障。三維激光掃描技術(shù)測量作業(yè)時間較短，因此，要求測量設(shè)備工作性能良好，以提高作業(yè)效率與精度，同時，其還具有一定的抗干擾性，可減少采集過程中的誤差，以保證獲得數(shù)據(jù)質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。三維激光掃描技術(shù)可廣泛應(yīng)用于地下隧道工程的質(zhì)量控制工作。

2.3 隧道工程中常用的二次定向技術(shù)

二次定向技術(shù)主要是利用激光束根據(jù)三維激光圖像的成像原理對測點(diǎn)進(jìn)行定位，其原理主要有以下幾種：（1）二次定向法可在相同探測距離內(nèi)，比較兩個測點(diǎn)的測距。（2）一次定向法是通過一定程度的多次測量得到測點(diǎn)間的距離信息。（3）一次定向法是通過分析觀測點(diǎn)間的測距信息，得到測點(diǎn)間的距離信息和高程差信息。（4）二次定向法主要是利用三維激光掃描技術(shù)采集測點(diǎn)間距離信息后，利用二維點(diǎn)云信息對三維激光掃描模型進(jìn)行編輯和處理，最后將圖像轉(zhuǎn)化為二維點(diǎn)云信息，得到二維立體地圖。

2.4 測量設(shè)備

掃描儀是最常見、也是應(yīng)用最廣泛的設(shè)備，它能夠完成各種測量工作，對各類工程測量起到非常重要的作用。

2.5 激光掃描模式

激光掃描儀掃描過程中，需要設(shè)置激光頻率等參數(shù)，確定激光頻率后，利用計算機(jī)將每個數(shù)據(jù)處理模塊的輸出結(jié)果記錄在相應(yīng)文件中，這就是激光掃描模式。其中，軟件中可設(shè)置一個主操作界面，以接收數(shù)據(jù)并運(yùn)行，在主操作界面中設(shè)置一個坐標(biāo)模型，在操作界面中設(shè)置不同的參數(shù)，如參數(shù)設(shè)置數(shù)量、參數(shù)設(shè)置時間間隔等。這些參數(shù)都會影響最終的信息顯示工作，通過設(shè)置這些參數(shù)，可以對每個模塊設(shè)定相應(yīng)的掃描模式，以滿足不同的檢測需求。

3 隧道工程檢測中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著人們生活水平和質(zhì)量的提高，很多大型城市基礎(chǔ)設(shè)施和公共服務(wù)設(shè)施已經(jīng)日趨完善，地下空間三維成像在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。

3.1 三維激光掃描的測量與驗證

三維激光掃描是利用空間成像技術(shù)對地下空間進(jìn)行測量的方法。在探測、測量過程中，要注意與已有測量儀器設(shè)備的有效結(jié)合，形成完整、系統(tǒng)的三維激光掃描系統(tǒng)，并對比分析實際測量結(jié)果與已有數(shù)據(jù)，驗證自身技術(shù)水平和精度。但由于相關(guān)理論與工具不完善，目前，在實際測量中還存在許多問題，主要表現(xiàn)在：測試儀器比目標(biāo)實際情況稍顯復(fù)雜；儀器操作要求高；操作簡單性不足。因此，必須提高測量精度，以保證整個工程數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.2 三維探測儀器設(shè)備

三維激光掃描技術(shù)的探測儀器包括激光掃描儀、射頻儀、全站儀等，主流的三維掃描儀有三維激光掃描儀、全站儀等。三維激光掃描儀主要用于地下空間檢測，由于其具有精度高、能夠快速自動采集成像信息等特點(diǎn)，可為工程建設(shè)提供精確、可靠的數(shù)據(jù)服務(wù)。隨著先進(jìn)的三維激光成像儀逐步投入使用，并大量應(yīng)用于市政工程、公路基礎(chǔ)等領(lǐng)域后，三維激光掃描技術(shù)用于地下空間檢測已成為必然趨勢。其中，激光掃描儀能快速采集成像數(shù)據(jù)，并利用計算機(jī)軟件進(jìn)行處理后，自動生成三維數(shù)據(jù)庫，如圖像分析軟件、地理信息系統(tǒng)、三維掃描圖像、三維坐標(biāo)系統(tǒng)、三維建模和分析系統(tǒng)、三維掃描數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、三維模型數(shù)據(jù)庫等。目前，采用三維激光掃描儀能在不同類型的地下空間中實現(xiàn)快速、精準(zhǔn)探測。

3.3 虛擬建模

三維激光掃描技術(shù)的核心在于能以多尺度實時的三維立體空間關(guān)系為基礎(chǔ)，在進(jìn)行三維激光掃描時利用三維激光成像技術(shù)獲得物體內(nèi)多個像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)以三維模型為基礎(chǔ)進(jìn)行空間分析，生成符合結(jié)構(gòu)形式和地質(zhì)結(jié)構(gòu)的模擬計算模型，同時生成整個地下空間的三維平面圖、立體剖面圖、地形圖等，為工程設(shè)計提供參考依據(jù)。使用三維激光掃描技術(shù)能建立一個具有多分辨率、多時間尺度的三維模型，使三維模型能被任意角度、任意時間尺度實時掃描重建，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

3.4 三維測量平臺

三維激光掃描系統(tǒng)是一種高精度、高速度、低成本、大規(guī)模的三維激光掃描設(shè)備，能完成精度為1cm 的全站儀三維掃描工作，同時能在全站儀三維掃描工作完成后，對三維成果進(jìn)行自動三維顯示和管理。目前，市面上三維激光掃描測量系統(tǒng)已有很多，如國外引進(jìn)的ATV 測距掃描儀、美國Disclosure 公司的激光測距儀等。我國雖然從20 世紀(jì)90 年代開始研制激光測距儀，但目前國內(nèi)三維激光掃描技術(shù)仍處于起步階段，還沒有達(dá)到可以全面應(yīng)用于城市建設(shè)的水平。

3.5 三維激光測距技術(shù)

三維激光測距技術(shù)主要是利用激光對目標(biāo)進(jìn)行掃描，再計算出激光測距參數(shù)，通過計算得到目標(biāo)與被測目標(biāo)之間的距離，以確定整個地下空間是否滿足設(shè)計要求及實際施工的間距。三維激光測距技術(shù)可通過測量地面位置信息，得到精確的距離，并進(jìn)行三維建模分析、定位、計算被測目標(biāo)，以達(dá)到設(shè)計要求。在城市建設(shè)中，三維激光測距技術(shù)能夠用于城市重點(diǎn)區(qū)域的地下空間測繪監(jiān)測工作，不僅可以為隧道及城市建設(shè)提供基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)資料，而且能為后續(xù)施工作業(yè)提供保障。

4 結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)能夠通過分析、定位、跟蹤、測量等方法，獲得隧道工程的三維坐標(biāo)信息。由于該技術(shù)具有高效、穩(wěn)定、精度高、可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，已成為隧道工程領(lǐng)域檢測作業(yè)必不可少的測量設(shè)備。在隧道工程檢測工作中，三維激光雷達(dá)儀可將整個檢測過程中形成的三維圖像直觀地呈現(xiàn)出來。要想充分利用三維激光掃描技術(shù)，應(yīng)以其為基礎(chǔ)建立相應(yīng)的測量規(guī)范體系、質(zhì)量控制體系、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系、檢測程序體系、數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法體系等，以保證最終檢測結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。