激光测量技术在大型隧洞开挖测量中的应用

李 兵

(四川二滩国际工程咨询有限责任公司，四川成都 610072)

1 前 言

激光测量技术出现于20世纪80年代，其产品主要是接触式主动测量点对点的激光测距装置。它以其单色性、方向性、相干性和高亮度等特性，在精度、速度、易操作性等方面表现出巨大的优势。它的出现引发了现代测量技术的一场革命，引起相关行业学者的广泛关注，许多高技术公司、研究机构将研究方向和重点放在激光测量装置的研究和激光测量技术的运用中。

如今，在激光技术、半导体技术、微电子技术、计算机技术、传感器等技术的发展和应用需求的推动下，激光测量技术也逐步发展到采用非接触主动测量方式快速获取实体三维空间坐标的三维激光扫描测量装置，在测绘领域正逐渐成为重要的测量手段。

本文结合锦屏二级水电站大型引水隧洞的开挖测量工作，具体介绍FARO三维激光扫描隧道测量系统、系统的工作流程、扫描测量实例及激光测量技术的优越性和应用前景。

2 FARO三维激光扫描隧道测量系统简介

锦屏二级水电站引进的三维激光扫描测量系统，是美国 FARO Technologies，Inc．公司生产的FARO三维激光扫描装置。这是一款相位式大空间扫描仪，型号为FARO 3D LASER SCANNER Photon 120。

下面简要介绍FARO三维激光扫描隧道测量系统的组成和功能、工作原理、扫描特点、技术指标和数据处理平台。

2.1 系统的组成和功能

FARO三维激光扫描隧道测量系统的组成有以下三部分:

(1)FARO三维激光扫描仪(见图1)。用来扫描获取实体表面的三维数据。

图1 FARO三维激光扫描仪

(2)FARO SCENE后处理软件。用来控制扫描仪操作、视角、测量和分析，也可以用来处理数据、识别物体和连接CAD系统(所有的CAD和CAPE系统都支持)。

(3)RR Tunnel隧道测量软件包。是一个有15年历史的成熟的勘测和隧道软件，有如下特点和功能:

◆体积和面积计算，例如已开挖土方量与规划隧道的比较、超/欠挖方量的自由计算。

◆无限量轮廓线。

◆用户自定义的扫描分段数量和距离(在同一隧道中的不同距离)。

◆生成隧道开挖与设计之间偏差的三维视图。

◆生成与设计方案的开卷偏差的二维视图。

◆给出各项报告，例如RFQ、清算账目、总额等。

◆自动生成CAD图纸(根据需要生成标准或者用户定义的图纸标题)。

◆输出数据可以被用户控制各类计算机化的建筑机器。

◆集成FARO激光扫描仪。

上述组成FARO三维激光扫描隧道测量系统的三部分，它们的配合使用可进行隧道测量、分析、管理，达到为隧道施工建设提供最佳的测量服务、成果输出和决策方案等。

2.2 FARO三维激光扫描仪的工作原理

(1)通过发射红外线光束到旋转式镜头的中心，旋转检测环境周围的激光，一旦接触到物体，光束立刻被反射回扫描仪，红外线的位移数据被测量，从而反映出激光与物体之间的距离。

(2)借助特殊的调制技术，HYPERMODULATIONTM可大幅提高调制信号的信噪比。之后，通过使用角度编码器测量Laser scanner镜头旋转角度与激光扫描仪的水平旋转角度，以获得每一个点的X、Y、Z的三维坐标值 。

(3)借助载式计算机，可以在不使用便携式计算机的情况下运行扫描。完成扫描后，用户即可轻松导航三维视图，对全部扫描数据在计算机上进行查看分析及后处理。

2.3 FARO三维激光扫描仪的测量特点

FARO三维激光扫描仪采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据，克服了传统测量技术以点带面的固定化测量模式的局限性，能够对任意物体表面进行扫描，且不受白天和黑夜的限制，即使在完全黑暗的条件下也可以扫描测量;它能够快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据;它具有扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点，可以极大地减少测量时间，使用方便，以及其输出格式可直接与CAD三维动画等工具软件接口连接的特点。

2.4 FARO三维激光扫描仪的技术指标

有效扫描距离:120m

系统误差距离:25m处2mm

清晰间距:153.49m

典型解析度:8 000×3 500

典型持续时间:233s

最大解析度:470 000×16 384

测量频率:97万6千点每秒

激光功率:20.0mW

波长:785nm

垂直视角:320°

水平视角:360°

重量:14.5kg

数据储存:内置80G硬盘或网络连接

尺寸:400mm×160mm×280mm

2.5 系统的数据处理平台

笔记本电脑，至少有以下配置:

CPU:2.13GHz

RAM:2GB

HD:80GB

显卡:512MB

以太网网卡

预装Windows NT或2000 or XP操作系统

3 FARO三维激光扫描隧道测量系统的工作流程及简要说明

FARO三维激光扫描仪隧道测量系统，在锦屏二级水电站大型引水隧洞开挖测量中的主要工作流程如下:

3.1 测站设计

根据待扫描开挖隧洞段的长度架设标靶和三维激光扫描仪。具体操作:首先，在已开挖隧洞的有效扫描范围内布置2～3个标靶;然后，将三维激光扫描仪架设在待扫描的隧洞开挖段大约中部的任意地方，不必架设在已知的测量控制点上(见图2)。

3.2 扫描仪扫描测量

扫描仪无需像传统测量仪器那样定向后才能测量，只需较随意地选好架站地点初平扫描仪即可。扫描仪架好后，接通FARO三维激光扫描仪电源待机预热4min左右(经过预热后，三维激光扫描仪可提供最佳的扫描测量结果)。然后，启动扫描仪上的扫描按钮，扫描仪便会自动逆时针旋转片刻后停止，紧接着自动转为顺时针运动同时进行所有的连续扫描测量。待扫描仪自动顺时针旋转360°后完成扫描，扫描仪又会自动逆时针旋转回到其最初的位置。至此，一个测站的现场扫描工作全部结束。

锦屏二级水电站引水隧洞开挖工程，由于施工环境恶劣，空气中水雾、烟雾及粉尘浓度高，完成一个测站的全部扫描测量工作用时大约15～20min，能获取70m左右隧洞开挖段的独立三维坐标数据，有效使用数据约60m扫描段长，最佳使用数据约50m扫描段长。

图2 测点设计

3.3 控制标靶中心坐标的获取

在已有的控制测量点上用全站仪直接测量标靶的控制测量系统的三维坐标。

3.4 坐标配准

使用FARO SCENE后处理软件以标靶为基准，通过测得的标靶测量系统的三维坐标值，把三维激光扫描仪现场扫描获得的激光点云中的独立系统的每个三维数据转换成控制测量系统的三维坐标数据。

3.5 三维建模

使用RR Tunnel隧道测量软件在计算机中生成隧道开挖与设计之间偏差的三维视图。

3.6 成果输出

使用RR Tunnel隧道测量软件在计算机中可自动生成CAD图纸，如反映隧洞超/欠挖的剖面图、超/欠挖数值、超/欠挖面积，以及自动计算超/欠挖方量等。

4 应用实例

锦屏二级水电站于2010年1月引进FARO三维激光扫描系统，应用于引水隧洞的开挖扫描、超/欠挖检测、开挖验收和工程量计算，取得了较好的测量效果。下面给出2号引水隧洞引(2)7+900～引(2)7+968边顶拱开挖验收的部分扫描成果。

4.1 扫描数据

FARO三维激光扫描仪现场扫描完成后，所有的数据以Geo文件格式存储在扫描仪的内置硬盘中，可以轻松实现数据的导入、导出和数据处理，同时也确保所有数据实时存储，避免了数据丢失的风险。表1是采用Excel导出的部分三维坐标数据。

表1 导出的三维坐标值

4.2 形象逼真的三维图像

现场扫描获得的数据导入电脑生成三维视图，可以直接查看该站扫描获得的整个扫描段的点云及杂物等情况，通过过滤和点云数据稀释以及选择并扫除无用的杂点点云后，最终生成开挖扫描段的清扫干净的3D视图(见图3)。测量数据非常方便，可以在点云图中或三维立体图中直接测量，测得的数据可用于生成尺寸精确的CAD模型。

4.3 生成开挖断面图

把3D视图导入数据到RR Tunnel隧道测量软件，可以轻松切取扫描段的隧洞开挖断面图。不同桩号的开挖断面图之间的桩距，可以根据实际需要在软件中任意指定输入。开挖断面图的生成为批量处理，可瞬间获得全部需要的按桩距要求切取的开挖断面图(见图4)。

图3 开挖段3D视图

图4 切取的开挖断面

4.4 工程量计算

采用RR Tunnel隧道测量软计算指定开挖段引(2)7+930～引(2)7+960的超挖工程量，计算结果为138.572m3。

5 系统的优越性及应用前景

FARO三维激光扫描系统，在锦屏二级水电站大型引水隧洞开挖工程的实际施工应用中，相比传统测量方法表现出更加简单、适用、精确、快速和高效的特性以及明显的技术优势。简述如下:

(1)FARO三维激光扫描系统产生三维黑白图像，每一个像素均有X、Y、Z坐标。测量数据方便，可以在点云图中或三维物体中直接测量，这些数据可用于生成尺寸精确的CAD模型。

(2)可以真正做到直接从已开挖的引水隧洞中进行快速的逆向三维数据采集，无需进行任何实体表面的处理。

(3)现场扫描获得的激光点云中的每个三维数据都是直接采集目标的数据，使得后期处理的数据完全真实可靠。

(4)不同于传统的单点测量方法。传统测量方法由于全站仪的局限性在断面中只能对断面的特征点进行抽测以达到反映开挖断面是否达到设计断面的目的，测量结果受特征点的影响较大。而FARO三维激光扫描仪的解析度为8 000×3 500～470 000×16 384，典型扫描速度每秒12万个3D点，不仅可以轻松、精确的反映扫描的开挖情况，也可以对所有隧洞表面进行扫描测量。

(5)抗干扰性及环境适应性强，即使在引水隧洞空气中水雾、烟雾及粉尘浓度高常规测量方法难以测量的情况下也能扫描测量。

(6)在现场扫描时无需定向，所以设站几乎不受施工的干扰，而且扫描测量操作简单只需启动按钮，即可自动完成全部扫描测量工作。

(7)采用非接触主动测量方式，因此扫描测量自动高速，远比传统全站仪装载的TMS Solution隧道自动测量系统快速、高效，可以最大程度地节约测量时间。如FARO三维激光扫描仪在锦屏二级水电站涌水量大、几乎黑暗的1号引水隧洞的施工环境中，可自动扫描获取开挖后引水隧洞的三维扫描数据。

(8)扫描数据内业处理高效，超/欠挖量计算容易，测量报告输出及时等。

总之，FARO三维激光扫描系统，作为激光测量技术领域较为成熟的高科技商业产品，以及在锦屏二级水电站大型引水隧洞的开挖工程的实际生产应用中所表现出来的非同一般的优越性，赢得了锦屏二级水电站建设工程的测量市场。

目前，在我国还没有国产的高精度三维激光扫描仪投放市场，相信不久的一天，具有国产自主知识产权的更加适合中国国情的三维激光扫描测量系统将会诞生，而且随着产品市场价格的下降，三维激光扫描系统一定会以其技术优势更加广泛地应用在中国建设发展的各行各业，如采矿、工程施工、城市规划、勘测、测量、交通、古迹建筑物克隆以及数字地理信息系统等行业。