導(dǎo)語(yǔ)：三維激光掃描技術(shù)隧道工程測(cè)量探討一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:以廣州地鐵十四號(hào)線規(guī)劃驗(yàn)收為例，研究了采用三維激光掃描技術(shù)開(kāi)展盾構(gòu)隧道的工程測(cè)量及三維重構(gòu)的技術(shù)方法。首先采用全站儀布設(shè)控制，對(duì)地鐵站臺(tái)及區(qū)間隧道進(jìn)行掃描，獲取高精度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù);接著采用凹面算法和隨機(jī)采樣一致性算法，提取隧道中軸線、橫斷面等隧道工程測(cè)量成果;最后基于斷面采用拉伸放樣建模方法，建立了隧道的三維模型。本方法測(cè)繪成果豐富，克服了常規(guī)測(cè)量方法環(huán)境適應(yīng)能力差、效率低的缺點(diǎn)，為隧道工程測(cè)量、運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供準(zhǔn)確、科學(xué)的空間數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞:隧道測(cè)量;三維激光掃描技術(shù);斷面測(cè)量;三維重構(gòu)

地鐵隧道工程測(cè)量，常采用全站儀、水準(zhǔn)儀等傳統(tǒng)測(cè)量方法［1，2］，由于環(huán)境差、光線昏暗，嚴(yán)重影響了測(cè)量效率和精度，且存在安全隱患。相比于激光隧道斷面儀、隧道限界檢測(cè)車、攝影測(cè)量，三維激光掃描儀能夠適應(yīng)地鐵環(huán)境，且應(yīng)用面更廣［3］。三維激光掃描技術(shù)具有“形測(cè)量”特點(diǎn)［4，5］，可在陰暗潮濕的環(huán)境下自動(dòng)掃描，無(wú)需人工對(duì)中、瞄準(zhǔn)、跑尺，可快速獲得以點(diǎn)云形式表達(dá)的空間三維面數(shù)據(jù)。近些年大量實(shí)驗(yàn)證明了激光掃描在地鐵測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，外業(yè)作業(yè)自動(dòng)化，使得地鐵隧道工程測(cè)量的效率得到了較大提升［6～9］。本文以廣州地鐵十四號(hào)線為例，對(duì)三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道測(cè)量應(yīng)用中隧道中軸線、橫斷面、三維建模等內(nèi)容進(jìn)行研究，并以此為基礎(chǔ)完成了地鐵隧道的規(guī)劃驗(yàn)收測(cè)量工作。

1隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

地鐵隧道內(nèi)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取需要解決絕對(duì)坐標(biāo)引入、測(cè)站之間的關(guān)聯(lián)兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題:①絕對(duì)坐標(biāo)引入，涉及隧道內(nèi)控制測(cè)量與激光掃描測(cè)量的協(xié)同作業(yè)方法、點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換;②地鐵隧道內(nèi)部各測(cè)站相似性很強(qiáng)，因此點(diǎn)云特征點(diǎn)識(shí)別不易，給配準(zhǔn)拼接造成困難。本文采用FaroFocus3DX330掃描儀進(jìn)行掃描試驗(yàn)。以全站儀布設(shè)導(dǎo)線，與激光掃描同步測(cè)量平面標(biāo)靶的位置，球面標(biāo)靶主要用于測(cè)站之間的拼接，不需要測(cè)量絕對(duì)坐標(biāo)。從而解決了數(shù)據(jù)獲取方面的關(guān)鍵技術(shù)難題。掃描實(shí)驗(yàn)時(shí)，地鐵隧道已滿足規(guī)劃驗(yàn)收的條件:整體處于通車前設(shè)施安裝調(diào)試階段，隧道內(nèi)已經(jīng)通電，站臺(tái)站廳主體電梯、隔離門(mén)、地板等設(shè)施已安裝，區(qū)間設(shè)施安裝基本完畢。

1.1控制測(cè)量

地面控制采用靜態(tài)觀測(cè)布設(shè)地面四等GNSS控制點(diǎn)，布設(shè)四等水準(zhǔn)附合線路與地面高程控制點(diǎn)一同測(cè)設(shè)。地下平面控制由地面控制點(diǎn)按城市導(dǎo)線方法布設(shè)，當(dāng)導(dǎo)線超長(zhǎng)時(shí)導(dǎo)線的觀測(cè)、平差等按上一級(jí)城市導(dǎo)線的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)執(zhí)行。地下控制點(diǎn)高程采用光電測(cè)距三角高程導(dǎo)線的方式進(jìn)行傳遞。控制測(cè)量精度應(yīng)滿足規(guī)劃驗(yàn)收測(cè)量要求，最弱點(diǎn)相對(duì)于起算點(diǎn)，點(diǎn)位中誤差不應(yīng)大于±5cm，高程中誤差不應(yīng)大于±2cm［10］。

1.2平面標(biāo)靶測(cè)設(shè)掃描

平面標(biāo)靶能夠精確測(cè)量獲取靶心坐標(biāo)。因此，為了完成點(diǎn)云向大地坐標(biāo)系的統(tǒng)一，在站臺(tái)以及區(qū)間，部分測(cè)站設(shè)置了平面標(biāo)靶，并用全站儀測(cè)量標(biāo)靶的靶心大地坐標(biāo)(本文采用廣州2000坐標(biāo)系和廣州高程系統(tǒng))。為了使該測(cè)站激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確，平面標(biāo)靶應(yīng)在測(cè)站掃描范圍內(nèi)均勻布置，且標(biāo)靶個(gè)數(shù)不少于4個(gè)。

1.3球標(biāo)靶布設(shè)掃描

區(qū)間掃描主要以球面標(biāo)靶為測(cè)站間公共連接點(diǎn)，球標(biāo)靶布設(shè)應(yīng)在掃描儀周圍組成多邊形，并與掃描儀之間保持不同的距離，錯(cuò)落有致，避免形成線性，且要保證公共標(biāo)靶個(gè)數(shù)不少于3個(gè)［11］。設(shè)置掃描參數(shù)時(shí)，應(yīng)確保滿足測(cè)站拼接配準(zhǔn)要求:球體目標(biāo)表面至少要有60個(gè)掃描點(diǎn)。在超過(guò)到掃描儀的特定距離時(shí)，球體目標(biāo)自動(dòng)檢測(cè)會(huì)變得不可靠，如圖1所示，本次試驗(yàn)使用直徑為145mm的球體時(shí)，到掃描儀的距離不應(yīng)超過(guò)18m。圖1球標(biāo)靶布設(shè)和掃描現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)Fig.1Balltargetlayoutandscanningoperation

1.4掃描儀架站掃描

在鐵軌中央架設(shè)掃描儀，設(shè)置分辨率為1/4，進(jìn)行掃描作業(yè)。在單站掃描完成后，將掃描儀遷至下一站，兩站距離控制在30m以內(nèi)，以保持較好的數(shù)據(jù)重疊度，且需保持球體到掃描儀的距離不應(yīng)超過(guò)18m。廣州地鐵14號(hào)線區(qū)間(從康大站至鎮(zhèn)龍北站)總長(zhǎng)度2.0km，上行隧道掃描用時(shí)5h，下行隧道掃描4h，共掃描152個(gè)站次。

2測(cè)站配準(zhǔn)拼接

測(cè)站拼接處理采用剛性坐標(biāo)變換，將多個(gè)測(cè)站點(diǎn)云拼接在一起。本次數(shù)據(jù)獲取時(shí)，引入了球面標(biāo)靶作為連接點(diǎn)，解決了地鐵隧道內(nèi)地物相似性高、人工難以選擇同名點(diǎn)進(jìn)行拼接的問(wèn)題。利用FaroScene軟件進(jìn)行配準(zhǔn)拼接，將所有原始數(shù)據(jù)(后綴為*．fls文件)批量導(dǎo)入。拼接采用兩種模式:兩兩測(cè)站同名點(diǎn)匹配、自動(dòng)群集注冊(cè)。

2.1兩測(cè)站同名點(diǎn)匹配

(1)各測(cè)站依次進(jìn)行球體目標(biāo)的自動(dòng)檢測(cè)和擬合，并用相應(yīng)顏色來(lái)表示球體的擬合質(zhì)量(綠色:質(zhì)量好;黃色:質(zhì)量欠佳;紅色:質(zhì)量很差);在測(cè)站球體檢測(cè)完成后，依次進(jìn)行兩兩測(cè)站球體目標(biāo)的自動(dòng)檢索匹配，對(duì)應(yīng)的匹配對(duì)象用“綠C”標(biāo)簽標(biāo)記對(duì)應(yīng)球體。如圖2所示，標(biāo)簽內(nèi)部顏色區(qū)別不同的對(duì)應(yīng)，標(biāo)簽外框顏色表示匹配的質(zhì)量。圖2(b)右下角的區(qū)域顯示已找到對(duì)應(yīng)的數(shù)量，并用交通信號(hào)燈來(lái)表明球體目標(biāo)的匹配質(zhì)量(2)若匹配標(biāo)靶的數(shù)量小于4，則需人工尋找并標(biāo)記兩幅掃描中的同名點(diǎn)標(biāo)靶并強(qiáng)制對(duì)應(yīng)，被強(qiáng)制對(duì)應(yīng)的標(biāo)靶球的標(biāo)簽將變?yōu)椤八{(lán)C”。當(dāng)匹配數(shù)量滿足4對(duì)后，即可完成兩測(cè)站匹配;(3)對(duì)每一組相鄰測(cè)站做上述處理，以完成所有鄰站數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。

2.2測(cè)站群集注冊(cè)

本次實(shí)驗(yàn)在同一地鐵隧道連續(xù)執(zhí)行的掃描，將所有測(cè)站按下列步驟執(zhí)行群集注冊(cè):(1)確定參考掃描:使用全站儀所測(cè)量的控制點(diǎn)作為外部參考進(jìn)行注冊(cè);(2)布置掃描;選中掃描的上級(jí)群集文件夾，執(zhí)行布置掃描命令，進(jìn)行該群集的配準(zhǔn)工作;(3)查看注冊(cè)質(zhì)量:通過(guò)掃描管理器ScanManager圖標(biāo)的信號(hào)燈顏色來(lái)查看配準(zhǔn)結(jié)果的總體質(zhì)量。通過(guò)掃描管理器單獨(dú)查看每個(gè)擬合對(duì)象的質(zhì)量。選中群集文件夾，查看以測(cè)站著色的對(duì)應(yīng)三維視圖模式下的群集配準(zhǔn)可視化結(jié)果(見(jiàn)圖3)。

3中軸線與橫斷面測(cè)量

隧道中軸線和橫斷面是地鐵隧道工程測(cè)量的基礎(chǔ)成果［3，11］。中軸線在隧道中是理論存在的線，無(wú)法觀察并測(cè)量，橫斷面每面需測(cè)量的點(diǎn)較多，傳統(tǒng)全站儀測(cè)量工作繁重。激光點(diǎn)云是解決該問(wèn)題、提高效率的較好的方法。本文采用凹面法(ConcaveHull)、隨機(jī)采樣一致性(RANSAC)算法相結(jié)合，解決了特征提取和斷面擬合的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了在點(diǎn)云中提取地鐵隧道中軸線，并擬合橫斷面圖制作地鐵規(guī)劃驗(yàn)收平面位置關(guān)系圖。

3.1中軸線提取算法

(1)將原始隧道點(diǎn)云分別向笛卡爾坐標(biāo)XOY平面投影，得到投影點(diǎn)云;(2)采用凹面法計(jì)算投影點(diǎn)云的邊界;(3)采用隨機(jī)采樣一致性算法從整體邊界中分割出隧道投影點(diǎn)云的左右邊界;(4)利用左右邊界，求解該投影面上的中線;(5)根據(jù)中線方程，作出平行于Z軸且經(jīng)過(guò)中線的平面;(6)指定另一坐標(biāo)面，重復(fù)步驟(1)～(5)可得到另一平面，兩平面相交的線段即為隧道中軸線。

3.2斷面提取方法

(1)利用激光掃描點(diǎn)云重建隧道結(jié)構(gòu)的中軸線，一般為10～15m掃描范圍內(nèi)(見(jiàn)圖4);(2)垂直于結(jié)構(gòu)中軸線，提取1～2cm厚度的斷面，并投影至統(tǒng)一的平面(見(jiàn)圖5);采用20cm厚點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為了提高擬合精度，剔除掉軌道等除隧道管片外的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。按照標(biāo)準(zhǔn)直徑5.4m，擬合得到圓心坐標(biāo)。

4三維建模

獲取隧道點(diǎn)云橫斷面、中軸線后，在AutoCAD中建立地鐵隧道的三維模型。首先基于橫斷面圖(含隧道斷面、鐵軌等帶著地物的斷面)沿著中軸線進(jìn)行帶著地物的掃掠建模，構(gòu)建隧道的主體模型、鐵軌模型(見(jiàn)圖6);接著，利用拉伸、放樣等交互式建模方法，建立隧道的各類構(gòu)件模型;最后，導(dǎo)入到3DMax中進(jìn)行渲染和漫游展示。

5結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際工程案例，研究了地鐵隧道高精度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取、點(diǎn)云特征提取和擬合方法，準(zhǔn)確提取了中軸線，并進(jìn)行了斷面測(cè)量及三維建模。中軸線圖、斷面圖等圖紙成果作為規(guī)劃驗(yàn)收測(cè)量的成果得到實(shí)際應(yīng)用。基于本文獲取的高精度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，還可以在地鐵隧道斷面收斂分析、滲水、裂縫識(shí)別等方面開(kāi)展進(jìn)一步的研究［12～14］。本文將激光掃描技術(shù)應(yīng)用于地鐵隧道工程測(cè)量，驗(yàn)證了架站式激光掃描在地鐵工程應(yīng)用中的精細(xì)化、自動(dòng)化的特點(diǎn)，降低了作業(yè)強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率，豐富了測(cè)繪成果，該方法具有可行性和準(zhǔn)確性。

作者：甘立彬 單位：廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院