三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道驗(yàn)收測(cè)量中的應(yīng)用

陳志里,林金標(biāo)

(福建省地質(zhì)測(cè)繪院,福州 350011)

0 引言

地鐵隧道工程是現(xiàn)代城市交通建設(shè)中的重要組成部分,其安全性與穩(wěn)定性對(duì)于保障城市交通順暢運(yùn)行至關(guān)重要。地鐵隧道的驗(yàn)收測(cè)量是確保隧道質(zhì)量合格的重要環(huán)節(jié),傳統(tǒng)的全站儀、經(jīng)緯儀及測(cè)量機(jī)器人等測(cè)量手段存在著測(cè)量精度低、工作效率不高等問(wèn)題。隨著科技的不斷發(fā)展,三維激光掃描技術(shù)作為一種新興的測(cè)量技術(shù)被廣泛應(yīng)用于地鐵隧道驗(yàn)收測(cè)量中,其能夠通過(guò)激光掃描裝置快速獲取地鐵隧道內(nèi)部的點(diǎn)云數(shù)據(jù),相比傳統(tǒng)的驗(yàn)收測(cè)量方法具有測(cè)量速度快、測(cè)量精度高、非接觸式測(cè)量等優(yōu)勢(shì),可全方位、全景式地記錄地鐵隧道內(nèi)部的實(shí)際情況,實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)部位的精確測(cè)量,為地鐵隧道驗(yàn)收工作提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持[1-3]。

三維激光掃描系統(tǒng)測(cè)量原理是利用發(fā)出的激光脈沖束照射物體對(duì)物體表面進(jìn)行掃描,記錄下每個(gè)位置激光的發(fā)射及反射時(shí)刻,通過(guò)記錄光傳播時(shí)間計(jì)算出激光束傳播路徑的距離及間距,根據(jù)接收激光束返回的反射波水平與垂直方向的偏向值得到物體表面各個(gè)位置的三維坐標(biāo)信息。如圖1所示,X軸在橫向掃描面內(nèi),Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直,Z軸與橫向掃描面垂直,獲得P點(diǎn)坐標(biāo)[4]。

圖1 三維激光掃描測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)原理Fig.1 Coordinate schematic of 3D laser scanning measuring points

本研究對(duì)已有文獻(xiàn)進(jìn)行整理及案例分析,探討三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道驗(yàn)收測(cè)量中的具體應(yīng)用,研究結(jié)果對(duì)提高地鐵隧道驗(yàn)收測(cè)量的可信度及效率、提升其應(yīng)用效果及地鐵工程建設(shè)的安全與質(zhì)量起到積極的促進(jìn)作用。

1 工程實(shí)例分析

1.1 測(cè)區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為A市某條輕軌線路,全長(zhǎng)23 km,目前已完成大部分施工工作,需對(duì)已建設(shè)完成部分進(jìn)行竣工驗(yàn)收測(cè)量,由于隧道內(nèi)環(huán)境復(fù)雜,加上整體時(shí)間緊、任務(wù)重,傳統(tǒng)測(cè)量方式難以滿足應(yīng)用要求,故擬采用三維激光掃描儀對(duì)隧道進(jìn)行點(diǎn)云掃描,基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行隧道斷面測(cè)量、隧道中心線提取及偏差分析,為驗(yàn)收工作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。整體技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 整體技術(shù)路線Fig.2 Overall technical route

獲取前期準(zhǔn)備數(shù)據(jù),包括CAD圖紙及設(shè)計(jì)模型的相關(guān)資料,應(yīng)用三維激光掃描儀進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理,基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行斷面線及中線提取,對(duì)比CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),獲取斷面偏差?；邳c(diǎn)云與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行偏差對(duì)比,獲取模型整體及細(xì)節(jié)部分偏差,如果誤差超限則進(jìn)行偏差區(qū)域整改處理,如果符合精度規(guī)范要求則驗(yàn)收通過(guò)。

1.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí),在激光掃描前需確定要掃描的隧道區(qū)域范圍,根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的激光掃描儀和掃描參數(shù),如掃描角度、分辨率等。將激光掃描儀固定在適當(dāng)位置,啟動(dòng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描操作。激光掃描儀會(huì)發(fā)射激光束,掃描整個(gè)隧道內(nèi)的物體表面,通過(guò)不斷改變掃描方向及角度獲取周圍物體的三維坐標(biāo)信息。需要注意的是,由于隧道環(huán)境復(fù)雜(如光線較暗、空氣濕度高等),可能會(huì)對(duì)掃描效果產(chǎn)生一定的影響,在數(shù)據(jù)采集中需及時(shí)檢查數(shù)據(jù)結(jié)果,若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常需要重新掃描。實(shí)驗(yàn)共架設(shè)5個(gè)測(cè)站,呈一字型,從測(cè)區(qū)開(kāi)始部位進(jìn)行逐站掃描,不同測(cè)站間布置一定數(shù)量靶球,方便后期點(diǎn)云拼接處理[5]。

1.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集完成后還需進(jìn)行點(diǎn)云拼接、點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云抽稀及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等內(nèi)業(yè)處理。應(yīng)用Trimble RealWorks軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,選擇要導(dǎo)入的點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件,調(diào)整掃描設(shè)置,如掃描顏色、密度、強(qiáng)度等級(jí)等,獲取最佳的數(shù)據(jù)可視化效果,方便觀察處理。由于導(dǎo)入的點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)自于多次掃描或不同位置的掃描,需進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)處理,確保數(shù)據(jù)之間的一致性及準(zhǔn)確性。Trimble RealWorks提供了自動(dòng)和手動(dòng)配準(zhǔn)工具,根據(jù)外業(yè)布設(shè)的球形靶標(biāo)(共同特征)進(jìn)行配準(zhǔn)。配準(zhǔn)完成后進(jìn)行點(diǎn)云去噪處理,人工去除非目標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù),如人、移動(dòng)硬件及纜線等,使用濾波器(如高斯濾波器、中值濾波器等)來(lái)平滑數(shù)據(jù),使用去離群值工具刪除異常點(diǎn)。由于采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量較大,需基于目標(biāo)點(diǎn)云特征(弧形)進(jìn)行精簡(jiǎn)處理,預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3所示?？梢钥闯?預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)完整,無(wú)明顯點(diǎn)云缺失情況[6]。

圖3 預(yù)處理后的隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.3 Pre-processed tunnel point cloud data

1.4 驗(yàn)收測(cè)量分析

隧道驗(yàn)收測(cè)量分析主要從兩個(gè)方面進(jìn)行:斷面、中線與設(shè)計(jì)線畫圖對(duì)比分析,點(diǎn)云與設(shè)計(jì)模型碰撞分析。進(jìn)行隧道點(diǎn)云斷面測(cè)量及中線提取,將預(yù)處理后的隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Trimble RealWorks中,創(chuàng)建剖面線,在工作欄中選擇剖面選項(xiàng),再選擇創(chuàng)建剖面線,根據(jù)隧道的具體幾何特征,在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中選擇合適的區(qū)域,繪制隧道剖面線?？墒褂弥本€、曲線及多邊形等工具來(lái)描繪剖面線。指定剖面線的間距及密度,選擇剖面選項(xiàng)中的測(cè)量工具,軟件根據(jù)所選剖面線在點(diǎn)云數(shù)據(jù)上繪制出相應(yīng)的斷面,提供測(cè)量結(jié)果,如剖面的寬度、高度、曲率等,根據(jù)需要進(jìn)行多個(gè)斷面的測(cè)量,剖面線提取完成后,選擇剖面選項(xiàng)中的提取中線工具。根據(jù)所選剖面線,Trimble RealWorks會(huì)自動(dòng)計(jì)算出隧道的中心線,根據(jù)需要對(duì)提取結(jié)果進(jìn)行微調(diào)和修正。將處理好的結(jié)果導(dǎo)出為CAD軟件格式,對(duì)比隧道設(shè)計(jì)二維圖紙,獲取偏差數(shù)據(jù)。隧道斷面和中線提取效果如圖4所示[7]。

圖4 隧道斷面線及中線提取Fig.4 Extraction of tunnel section and center line

點(diǎn)云與設(shè)計(jì)模型碰撞分析是一種將點(diǎn)云數(shù)據(jù)與數(shù)字設(shè)計(jì)模型進(jìn)行比較,以檢測(cè)在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中設(shè)計(jì)模型與實(shí)際點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間可能存在的沖突或碰撞的過(guò)程,通過(guò)碰撞,對(duì)比發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)計(jì)與實(shí)際施工之間的差異,確保設(shè)計(jì)的可行性及施工的準(zhǔn)確性。碰撞分析在Trimble RealWorks軟件中進(jìn)行隧道點(diǎn)云與設(shè)計(jì)模型的偏差對(duì)比,將完整的隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Trimble RealWorks軟件中,將隧道BIM設(shè)計(jì)模型文件導(dǎo)入其中,在應(yīng)用軟件中使用坐標(biāo)系匹配工具將點(diǎn)云數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)模型的坐標(biāo)系進(jìn)行匹配,確保兩者在空間中的位置及方向一致,設(shè)計(jì)模型文件與隧道的幾何及結(jié)構(gòu)特征相匹配。選擇對(duì)比選項(xiàng),設(shè)置對(duì)比類型及參數(shù),如相應(yīng)的容差值及顏色顯示,以區(qū)分偏差值的大小和方向。Trimble RealWorks會(huì)自動(dòng)執(zhí)行對(duì)比分析,將結(jié)果顯示在點(diǎn)云數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)模型上。還可以根據(jù)需要調(diào)整顯示設(shè)置和顏色編碼,以更清晰地顯示偏差信息。如圖5所示,根據(jù)對(duì)比分析結(jié)果可獲取詳細(xì)的偏差值、偏差分布圖等[8]。

圖5 設(shè)計(jì)模型與點(diǎn)云碰撞分析Fig.5 Design model and point cloud collision analysis

通過(guò)兩個(gè)角度對(duì)比后應(yīng)用,得到實(shí)驗(yàn)區(qū)域施工成部分誤差均在合理范圍內(nèi),能夠滿足應(yīng)用和運(yùn)營(yíng)要求。

2 結(jié)束語(yǔ)

介紹了三維激光掃描技術(shù)原理及優(yōu)勢(shì),探討了在地鐵隧道工程中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的具體步驟及方法,分析了其在地鐵隧道建設(shè)中的應(yīng)用效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該技術(shù)在地鐵隧道工程中的應(yīng)用對(duì)提升地鐵工程質(zhì)量及安全起到了積極的推動(dòng)作用。