三维激光扫描技术在隧道限界测量中的应用

刘高奇 薛栋栋

摘要 通过在建隧道二衬断面的全站仪测量方法和三维激光扫描方法获取数据过程的介绍，经过数据去噪与加工，对所采集的数据进行对比，得出三维激光扫描在作业效率和精度上均取得了较好的结果，提出采用三维激光扫描仪作业在隧道限界测量中可取得较好的成果质量和经济效益。

关键词 三维激光扫描 限界测量 精度与效益比较

1 概述

随着三维激光扫描技术的不断提高，点云测量数据处理方法的改进，三维激光扫描设备单价的降低，以及隧道工程对建筑限界的要求越来越高，很多技术人员在隧道施工中积极的探索了使用三维激光扫描仪进行监测与二衬检测[1-5]，并积累了大量的经验，一些论文中做出了有意义的总结，通过全站仪测量数据与三维扫描仪测量数据做对比，提出两者精度接近，可替换使用[6]。提出入射角超过60°扫描数据精度大幅降低，宜以60°为参考，结合隧道断面内径来选取设站间距[7]。控制测站间距不超过30m，间距差不超过1m，测站高度超过1.6m，且保证相邻测站具有相同的测量顺序[8]。本文依托兴泉铁路在建隧道，开展研究，总结在二衬施工后，如何利用三维激光扫描仪高效准确的测量净空限界，并根据项目实际情况提出三维激光扫描仪的使用建议。

2 全站仪与三维激光扫描仪获取数据的方法

2.1 全站仪获取数据的方法

研究采用机载断面监测程序控制仪器完成断面测量，机载程序适用于免棱镜功能全站仪;PC后处理软件程序安装在PC机上，用于数据的分析整理;全站仪设站方式为定向测量或后方交会，启动该程序后输入断面里程，仪器将自动测量断面。搜索范围设置5m，所测里程5m范围内自动寻找所测里程点，里程测量限差0.2m，测点在所测里程±0.2m内仪器储存测点，测点间距为环向点间距，断面上每50cm测量一个点，测量时，全站仪基本安置于所需测量断面正下方，测量前后5m范围3个断面，使激光与反射面垂直，保证测量精度（如图1）。研究段落共测量断面20组，平均每断面测点40个。

2.2 三维激光扫描仪获取数据的方法

三维激光扫描通过水平方向、垂直方向快速 360°旋转，结合激光测距原理，快速测定各测点距球心的距离，通过点云数据（单次测站百万级以上个点构成，点与点间距毫米级），快速构建“复制”场景轮廓图（如图2）[9]。本次研究选用扫描仪为FARO M70，扫描前需全站仪利用洞内导线点定向传递扫描仪坐标和高程，对扫描仪左、右侧棱镜和圆棱镜标靶进行进行坐标、高程测量，数据处理时转换成绝对定位，使扫描成果与线路成果坐标系统和高程系统一致，（如图2、图3）。

3 数据处理

3.1 线路要素输入

机载断面仪和扫描仪平曲线输入基本相同（线元法），机载断面仪竖曲线输入时半径区分正负号（凹曲线为-，凸曲线为+），扫描仪输入半径时不区分正负号，设计断面输入相同（机载断面仪为单个断面计算超欠挖，扫描仪为连续、区域出图更加方便）。

3.2 控制点选取

研究隧道为单线隧道，洞内狭小，为保证设站精度不选用后方交会，采用定向测量，主控制导线点为200m 1对布设，使用机载断面仪测量时对所测范围内每60m进行转点，在每个转点上架站进行断面测量。三维激光扫描仪需全站仪传递坐标、高程，在主控制点上架设全站仪，在小于后视距离范围内任意架设扫描进行测量[10]（如图3）。

3.3 三维激光扫描仪数据去噪

三维激光扫描仪测量结果中不可避免地包含各种误差，其中一部分误差表现出噪声特性，主动无接触覆盖式测量受环境干扰，可能产生非测量目标物体表面的无用数据和离群噪声，物体表面的尖锐特征等使激光入射角剧变可能导致测量产生毛刺噪声，无合作目标的激光测距方式必然产生细小的随机噪声。它们的存在影响整个点云数据的分析效率和精度，因此需要对其按照分布大小进行针对性的去除或调整。

外业去噪：测量时对遮挡物搬除，关闭风袋使噪声成一条线，减小噪声保证测量质量降低内业处理噪声时间。

内业去噪：，点云数据处理后正射影像图显示红色表示欠挖，正射影像图显示左侧4m处欠挖，根据图分析大面积欠挖属于遮挡，打开3D影像直观显示欠挖部位，风管和水管遮挡导致欠挖（如图4），大面积欠挖可在报表图中注明，小面积遮挡欠挖可进行去噪处理。

3.4 数据对比

选取DK285+710-DK285+810作为测试区，扫描仪架设在DK285+760处，机载断面仪架设在DK285+715、+730、+745、+760、+775、+790、+805里程处，每5米测量一个断面，共测量10个断面进行数据分析对比。其中扫描仪断面图环向点间距0.05m，机载断面图环向点间距0.5m，数据对比（如图5，表1）：

数据分析：根据对比图表可以得出，扫描仪架设位置前后20m所测精度在1cm内，且最小值出现的测点基本都在拱顶附近，也是仪器仰角较大的位置，证明了角度与距离对数据精度的影响较大。前后50m在距离相同的条件下的差值较大（8mm），但角度和距离变化不大，说明单纯的考虑角度或者距离都无法取得理想的成果，综合分析应以控制扫描距离在20m范围内为宜。

3.5 三维激光扫描与全站仪作业效率对比

通过耗用人工、作业时间、操作难易、数据处理时间及数据精度等对比，三维激光扫描仪在作业效率上具有极大的优势。

结语

经过试验，三维激光扫描仪在距离与测量角度适宜的情况下，能够取得较好的精度，满足净空限界的测量要求，且三维激光扫描仪在作业效率上是传统全站仪机载断面測量作业的几倍至几十倍，在数据成果上以点云数据体现，能够截取任意断面数据，表格与图形展示内容更加丰富，能够有效避免限界侵限测量的漏检，同时为后续隧道成品展示的三维建模提供基础数据，虽然目前三维激光扫描设备较昂贵，但是其作业效率与衍生产品对工程信息化管理都具有极高的意义，新建铁路隧道施工也广泛将该项技术应用作为强制性要求推广，如何应用好该技术，使三维激光扫描技术更好的服务工程建设，是我们后续研究的方向。

参考文献

[1]孙文晋.三维激光扫描技术在隧道衬砌质量控制中的应用[J].中国公路，2019（14）：110-111.

[2]魏新元.三维激光扫描技术在张吉怀铁路隧道施工中的应用[J].工程技术研究，2019，4（11）：87-88.

[3]王海风.三维激光扫描技术在隧道检测中的应用[J].山西建筑，2018，44（23）：187-189.

[4]刘欢，王立娟，裴尼松等.三维激光扫描技术在米仓山特长隧道施工中的可行性应用研究[J].测绘通报，2017（09）：83-87+115.

[5]李静，李长青，邓洪亮.三维激光扫描技术在隧道衬砌施工质量管理中的应用研究[J].施工技术，2017，46（14）：134-136.

[6]胡琦佳，鲁勇，李春华.三维激光扫描技术在隧道断面限界检测中的应用[J].工程勘察，2020，48（03）：56-59.

[7]李宗平，张永涛，杨钊等.三维激光扫描技术在隧道变形与断面检测中的应用研究[J].隧道建设，2017，37（03）：336-341.

[8]薛松.三维激光扫描技术在隧道工程检测中的应用[J].工程建设与设计，2018（02）：260-261.

[9]侯海元.三维激光扫描技术在隧道超欠挖施工中的应用[J].西部交通科技，2018（08）：109-111+163.

[10]王智，李勇，张洪德等.三维激光扫描技术在地铁隧道施工质量检测中的应用研究[J].城市勘测，2018（03）：114-116.

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