三维激光扫描技术在水工隧洞测量中的应用

李鹏犇

（山西省水利发展中心，山西 太原 030002）

1 工程概况

1.1 工程简介

山西省某引调水工程，主要任务是引黄入晋，起到充沛水资源、多源互补、保障应急、丰枯调剂的作用，供水范围涵盖山西多个市（县），是山西输水线路较长、受益人口较多的引水工程。该工程主要建设内容包括水工隧洞、泵站厂房、变电站、管理站等建筑物，其中水工隧洞是整个工程的重要组成部分之一，主要用于灌溉、供水、输水等。

1.2 选区测量地点及其地质条件

根据三维激光扫描仪与全站仪测量的特点及工程施工进度安排，选取该工程施工07标17号支洞，控制主洞桩号60+141—61+159段（长1 018 m），作为本次技术研究的数据采集现场。该段洞身穿过地层为奥陶系下统，围岩岩性为薄层白云质灰岩夹泥质白云岩、中硬岩、垂直节理，围岩类别为IV类。

2 测量准备

2.1 仪器配置

表1 仪器设备配置表

仪器使用前，全部经过省级以上仪器检定机构的检定，且在有效检定期内；现场使用前，对设备对中精度、i角、仪器的往返测距、测角等精度进行自检，自检合格后投入使用。

2.2 坐标高程校准

平面高程系统均采用由施工方提供的与原设计一致的坐标系统。扫描作业前，在工作面进行现场踏勘，排除障碍物等干扰因素，寻找控制点。严格按照三等水准测量精度（见表2）要求对控制点进行检核，对控制点精度不满足要求的，从洞外勘探院提供的基准点开始向洞内重新布置导线控制点，对控制点间距大于150 m的，按同精度要求进行加密。

表2 三等水准测量精度 单位：mm

3 实施测量

3.1 三维激光扫描仪扫描方法

在全站仪测定标靶球控制点基础上，利用三维激光扫描仪通过标靶球拼接点云进行外业数据采集，设站点间距分别为20 m、30 m、40 m，进行三次不同间距扫描，以20 m间距为例，具体作业流程及技术要求如下：

（1）设站方法及技术要求：在测量区域内按设站点间距放置标靶球，即两个标靶球间隔20 m；仪器设站为两个标靶球中间位置，确保每站至少有两个标靶球。

（2）扫描方法及技术要求：设站点间距为20 m；采用全景扫描方式，即360°全方位扫描。单站扫描作业示意图见图1。

图1 三维激光扫描示意图

3.2 传统隧洞断面测量扫描方法

传统断面测量是在控制点范围内利用全站仪进行外业数据采集，然后通过测点绘制隧洞断面。本次测量采用全站仪50 m间距断面控制，具体作业流程及技术要求是，在两个已知控制点内每隔50 m设站，通过已知控制点确定设站，在隧洞断面上分布测点，测出断面的具体样貌。

3.3 测量注意事项

（1）测量采用ATR自动照准方式、电子记录，以自动化软件控制测量过程、精度指标，避免人为误差。测量时输入现场量测的气温、气压进行距离修正，严格对中整平，测量前后进行检查。

（2）现场绘制草图，结合点位分布、点位通视情况及根据现场观测条件编制观测计划，确保观测方法合理、联测点位准确。

（3）每站多测回数据采集前，应对所要观测的点位进行检测，根据检测数据在草图上标注距离、高差、方位或角度值，检查前后视往返测距离差是否满足精度要求。

（4）发现距离较差超限时，应现场查找原因，误差消除后才可进行多测回数据采集工作；超限不能消除时，应制定返工测量方案。

5）测量前校核输入仪器高、各观测点棱镜高，以便测点高程准确推算。

4 数据处理及分析

4.1 数据收集

三维激光扫描方法：将现场扫描zfs数据导出，再将zfs数据导入Z+FLaser软件进行点云拼接，输入控制点数据进行最小二乘法计算。导出asc点云数据，删掉隧洞中仪器、行人、风筒带、电线、管道等造成的遮挡点，留下干净的点云数据，进行后续处理。

全站仪测量方法：将现场测点数据导入Cass软件，导出dat数据，继而将dat数据导入Cass软件进行提取各站测点坐标，整理坐标后生成hdm格式数据，导入Cass软件可得断面图。

4.2 同断面测点数据分析

选取一个具有代表性断面，将三维激光扫描数据与全站仪测量数据处理后叠加在一起进行对比分析，如图2。

图2 三维激光扫描仪扫描断面与全站仪测量断面叠加图（单位：m）

由图3可以看出，全站仪测量断面的轮廓线是由一个断面的个别点位（黑点标注处）测量完成后，由线段连接而成，三维激光扫描仪扫描断面则是由连续不间断的点连接形成。

图中数据显示，除了A点相差0.021m和B点相差0.071 m外，其余点位均重合，重合率为87.5%，且三维激光扫描测量出的断面成果比全站仪测量断面成果更丰富，更全面，更能反映出断面的实际情况。

4.3 三维激光扫描技术优缺点分析

经过现场测量实验及后期数据分析对比，三维激光扫描技术较传统全站仪扫描技术具有以下优点：

（1）点云密度大，每秒可扫描100多万个点；

（2）扫描速度快，每站扫描时间约3 min 20 s；

（3）通过扫描出的现场实际模型与设计模型对比可检查出轴线偏移问题，随机检查任一桩号断面尺寸（精确至毫米），可计算任一洞段的超欠挖量；

（4）1∶1完全还原现场情景，为后期二衬工作提供真实的初支数据模型，以便准确计算衬砌厚度及二衬混凝土用量。

三维激光扫描技术存在与全站仪扫描相同的缺点，如现场测量时，需要较多工作人员辅助配合，数据量大，处理步骤较为繁琐，无论是仪器现场操作还是后期数据处理，对技术人员水平要求较高。

5 结语

三维激光扫描仪具有精度高，点云密度大，在数据可靠的前提下比传统全站仪测量更全面，更能反映出断面实际情况，可为后期处理初支侵限、轴线偏移、二衬混凝土的用量等提供可靠的数据支持。通过激光测绘，为水利工程高质量施工提供高精度、高效率的施工数据。