三维激光扫描技术在隧道竣工测量中的应用

朱海山，李 胜

（1.中铁隧道局集团有限公司，新疆 乌鲁木齐 830002；2.新疆维吾尔自治区测绘科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830002）

隧道断面测量是隧道竣工测量中的一项重要工作，对于隧道施工的精度评价、隧道结构安全监测、验证设计线路符合程度等方面具有重要意义。传统测量方法受采集手段的限制，存在采集速度慢、采集点数据量少、不能全面反映隧道的真实情况等缺陷。随着激光扫描仪技术的发展和进步，其在精细三维数据建模方面具有数据精度高、采集速度快的优势，已被逐步应用到工程测量的多个领域。将激光扫描仪技术应用于隧道竣工测量，能大大提高隧道检测数据的采集速度和精度，并能提供详尽的三维真实影像模型，直观反映隧道内部情况，是隧道检测未来的发展方向。

1 作业方案选择

通过分析隧道竣工测量的具体特点，对比市场上主流的扫描仪产品，本文选用天宝TX8 扫描仪（图1）。该扫描仪凭借Trimble 独有的Lightning TM 技术，具有360°×317°的视场角和100 万点/s 的数据获取速度，且不受测程影响，能保证每个测站的测量在3 min 内完成。由于天宝Lightning TM 技术受目标表面类型和环境状况变化影响很小，因此每个测站都可获得具有良好完整性的数据结果。该扫描仪还具备业界先进的内部降噪和平滑技术，有效测量距离可达120 m（特定反射条件下）[1]。

天宝 TX8 扫描仪的内业工作流程同样十分高效，能获取纯净、低噪声的数据，大大减少了数据处理时间。天宝TX8 扫描仪获取的数据可直接导入天宝RealWorks 处理软件，进而提供能导入主流CAD 软件的高效数据流，并能输出标准格式的点云成果，可输入其他点云处理软件进行进一步处理和利用[2]。

图1 天宝TX8 扫描仪外观

2 隧道竣工测量作业流程

隧道竣工测量的作业流程如图2 所示。

图2 隧道工程测量作业流程图

2.1 外业数据采集

天宝TX8 扫描仪外业操作相对简单，仪器安装在脚架上后置平，建立项目，设置扫描参数，即可开始扫描。由于一般情形下需设置多个测站才能完成整个项目的测量，子项目之间需保证一定距离的重叠，需设置至少3 个球形或平面标靶作为同名点衔接测站之间的数据（图3、4）。为了实现激光扫描仪成果从自定义坐标系到工程坐标系的配准，应保证至少3 个靶标具有工程坐标系的精确坐标。

图3 隧道内靶标的设置

图4 扫描子项目间的衔接

2.2 数据预处理与坐标配准

测量数据导入天宝RealWorks 处理软件后，利用软件提供的配准方式对测量数据进行预处理和配准，使各测站之间的数据拼合成一个整体，并从测站坐标系纠正到统一的地理坐标系中[2]。由于球形靶标拟合球心坐标在算法上具有更高的精度，因此隧道竣工测量中选用球形靶标进行测站定位。由生成的配准报告可知，绝对坐标配准最大误差约为3 mm，符合定位精度要求。

2.3 扫描数据编辑

在扫描仪获得的数据中，由于存在大量不属于隧道管壁的内容，需在软件中手动剔除这些数据。手动剔除需分段编辑、效率较低，本文开发了相应的程序对点云进行剔除，能自动删除大部分无效数据，提高了数据处理的效率，降低了人工劳动强度。

2.4 隧道设计数据导入

为实现隧道扫描数据与设计模型的对比，就需要建立隧道设计的三维模型，首先将隧道中心数据导入RealWorks 处理软件，利用每米间隔三维坐标数据生成隧道中心的三维轴线；然后在垂直于轴线的平面上绘制一个标准设计断面；最后RealWorks 处理软件根据上述两个要素生成隧道的三维模型。

在RealWorks 主菜单Inspection 下选择Surface to Model Inspection，进入表面到模型检查，根据需要设定断面的间距、起始点和结束点以及采样点的密度等参数，可得到批量断面检测结果。RealWorks处理软件利用色彩来反映整个隧道模型不同程度的偏差。

2.5 成果输出

虽然RealWorks 处理软件可以生成断面报告来显示断面各个位置的偏差，但对于隧道断面尤其是圆形隧道断面而言，更重要的是反映实际隧道断面的准确圆心坐标以及它与设计圆心的偏差。为了使断面检测报告格式更加符合要求，本文将断面提取数据导出到AutoCAD 中，再利用自己开发的程序对导出数据进行提取处理，生成所需的报告形式。

2.6 点云数据抽稀

点云数据量较大，且由于目标距离和角度的不同，点云密度也不均匀，有必要对点云进行抽稀，从而大大减少点云的数据量，基本不损失数据精度，对于后期的数据处理效率至关重要。RealWorks 处理软件提供了6 种抽稀方式：Spatial Sampling、Random Sampling、Scan-based Sampling、Intensity-based Sampling、Discontinuity-based Sampling 和Ground Extraction。其中Discontinuity-based Sampling 方式比较适合隧道内的条件，得到的点云可最大限度地保证点云的数据精度，且不损失几何特征点。

2.7 点云数据自动过滤

在扫描仪采集数据的过程中，隧道中施工环境复杂，不可避免地参杂了一些无用数据，RealWorks 处理软件提供了通用的点云编辑工具，但点云数据量非常大，手动编辑效率较低（图5）。本文通过分析点云文件格式，利用C sharp 语言开发了相应的程序，实现了对LAS 格式点云数据文件的高效读取和处理[3]；通过三维坐标和隧道设计轴线的数学关系，对无序点云进行有序化管理，并实现了自动筛选，自动剔除无效数据，减少了无用数据（图6）；利用AutoCAD.NET 接口编写程序，自动提取特定里程的断面上的三维点数据，并根据最小二乘法拟合出实际隧道断面圆心坐标，生成自定义格式的断面检查报告（图7），大大提高了处理效率[4-5]。

图5 原始点云

图6 自动筛选后的点云

图7 程序自动生成的隧道断面检查图形

3 三维激光扫描技术在其他方面的应用

RealWorks 处理软件强大的表面对比分析功能，也可用于隧道变形动态监测，通过与上一期隧道表面的对比，可迅速、详细且准确地反映隧道形变的位置和范围，直观表示隧道的变形值，在隧道的安全监测中能发挥重要作用[6]。

在联络通道的施工过程中，利用激光扫描仪采集的三维数据建立三维立体模型[7]，并与设计模型进行对比，可直观反映联络通道的超欠挖情况，如图8 所示。

图8 三维模型反映联络通道超欠挖情况

4 结 语

与其他测量方式一样，三维激光扫描仪获得的数据的实际精度也受环境条件制约和影响，在测量过程中必须进行有效的控制和筛选才能得到理想的数据。三维激光扫描技术虽然精度高、数据获取速度快，但数千万乃至上亿个点的数据对计算机硬件、软件处理能力都提出了更高的要求。激光扫描仪硬件技术发展基本成熟，但应用软件的发展相对落后，若想利用激光扫描仪为工程测量服务，就必须拥有成熟的软件，高效率地处理点云数据，这还需要做大量的工作。