三維激光掃描技術(shù)在隧道工程竣工測(cè)量中的應(yīng)用研究

孔祥玲，歐斌

(重慶市勘測(cè)院，重慶 400020)

三維激光掃描技術(shù)在隧道工程竣工測(cè)量中的應(yīng)用研究

孔祥玲?，歐斌

(重慶市勘測(cè)院，重慶 400020)

應(yīng)用研究與生產(chǎn)相結(jié)合的方法，介紹了地面三維激光掃描技術(shù)在城市軌道交通隧道工程竣工測(cè)量中的數(shù)據(jù)采集流程，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接裁剪、圖形定位、影像匹配、抽稀和線狀地物提取等操作，討論了三維激光掃描技術(shù)在隧道竣工測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的可行性、技術(shù)優(yōu)勢(shì)、測(cè)量方法和數(shù)據(jù)處理方法。

三維激光掃描；軌道交通；隧道竣工測(cè)量；點(diǎn)云數(shù)據(jù)

1 引 言

三維激光掃描技術(shù)是近年發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新技術(shù)，以高精確、快速、海量、無(wú)接觸測(cè)量等優(yōu)勢(shì)在眾多領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。三維激光掃描測(cè)量依靠其硬件性能與獲取數(shù)據(jù)方式的特點(diǎn)，大大彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)量方法的不足。在硬件方面，激光掃描儀采用半導(dǎo)體激光器，激光方向性好，光功率高，使得測(cè)量?jī)x器分辨率高，穩(wěn)定性好，測(cè)量精度高。在數(shù)據(jù)獲取方面，激光掃描測(cè)量的數(shù)據(jù)獲取方式靈活，不需要接觸物體，避免了接觸測(cè)量可能對(duì)被測(cè)物體表面帶來(lái)的損害，提高了檢測(cè)速度。與其他非接觸式測(cè)量方法相比，該技術(shù)具有較大的偏置距離和測(cè)量范圍，對(duì)某一區(qū)域掃描時(shí)，采集點(diǎn)位密度大，數(shù)據(jù)信息豐富，可以更真實(shí)地反映現(xiàn)實(shí)環(huán)境；測(cè)量準(zhǔn)確度高，特別適合測(cè)量表面復(fù)雜的物體及其細(xì)節(jié)的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精細(xì)化測(cè)量；測(cè)量速度快，節(jié)約大量的時(shí)間，使工作效率提高，勞動(dòng)強(qiáng)度降低，投入費(fèi)用也有減少；抗干擾性好，在昏暗的條件下或者夜間都不影響測(cè)量。

建設(shè)城市軌道交通，是城市現(xiàn)代化交通發(fā)展的必然選擇，也是有效解決“大城市交通病”的首要選擇。縱觀國(guó)內(nèi)外大城市交通發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，城市軌道交通已經(jīng)成為提升城市功能和形象、拉動(dòng)城市經(jīng)濟(jì)、拓展城市框架、繁榮城市商貿(mào)、改善居民生活、提升土地和基礎(chǔ)設(shè)施等城市資源價(jià)值的強(qiáng)力杠桿。軌道交通線路，部分位于地下隧道中，根據(jù)政府管理的需要，必須進(jìn)行規(guī)劃竣工測(cè)量。本文根據(jù)城市軌道交通規(guī)劃竣工測(cè)量的要求，結(jié)合重慶地鐵一號(hào)線工程，采用RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀，引入了激光三維掃描技術(shù)在隧道竣工測(cè)量中的應(yīng)用研究。

2 項(xiàng)目概述

重慶地鐵一號(hào)線是重慶軌道交通規(guī)劃線路的重要干線，先期建設(shè)的一期工程，東起渝中區(qū)小什字、西至沙坪壩，途經(jīng)渝中區(qū)、九龍坡區(qū)、高新區(qū)和沙坪壩區(qū)，全長(zhǎng)16.5 km，沿線設(shè)14座車(chē)站，其中有4座換乘站，是貫穿主城核心區(qū)東西方向的軌道交通主干線路，其線路和車(chē)站全部位于地下隧道中，如圖1所示。地鐵一號(hào)線一期工程是目前全國(guó)運(yùn)行速度最快、爬坡能力最強(qiáng)、隧道埋深最深的地鐵之一。同時(shí)，也是國(guó)內(nèi)第一條建成通車(chē)的山地城市地鐵線路。

圖1 重慶地鐵一號(hào)線一期工程線路及車(chē)站分布圖

地鐵一號(hào)線一期工程竣工地形測(cè)繪的比例尺為1∶500，基本等高距為0.5 m，高程注記至厘米。竣工測(cè)繪的內(nèi)容主要包括:線路軌道竣工測(cè)量，區(qū)間隧道、車(chē)站和附屬建筑結(jié)構(gòu)竣工測(cè)量。

3 RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀

RIEGL VZ-1000三維激光掃描成像系統(tǒng)擁有RIEGL獨(dú)一無(wú)二的全波形回波技術(shù)(waveform digitization)和實(shí)時(shí)全波形數(shù)字化處理和分析技術(shù)(on-line waveform analysis)，每秒可發(fā)射高達(dá)300，000點(diǎn)的纖細(xì)激光束，提供高達(dá)0.0005°(1.8″)的角分辨率。這種高精度高速激光測(cè)距及可同時(shí)探測(cè)到多重乃至無(wú)窮多重目標(biāo)的細(xì)節(jié)信息技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是傳統(tǒng)單次回波反映單一物體技術(shù)所無(wú)法比擬的。除此以外，基于RIGEL獨(dú)特的多棱鏡快速旋轉(zhuǎn)掃描技術(shù)，它能夠產(chǎn)生完全線性、均勻分布、單一方向的掃描激光點(diǎn)云線。通過(guò)與“云臺(tái)”配合測(cè)量，可以對(duì)隧道進(jìn)行360°全圓掃描，獲取全方位點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

4 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

竣工測(cè)量區(qū)域涉及軌行區(qū)和車(chē)站，由于白天試車(chē)無(wú)法施測(cè)，測(cè)量工作只能在夜間進(jìn)行，隧道內(nèi)通視條件較差，濕度大，空氣流動(dòng)性差，且存在施工干擾，測(cè)量難度很大。根據(jù)工程的特點(diǎn)，在隧道內(nèi)采用RIEGL VZ-1000激光掃描儀配合“云臺(tái)”測(cè)量技術(shù)，進(jìn)行全方位數(shù)據(jù)采集。掃描步驟主要包括如下4步:

(1)在控制點(diǎn)上架設(shè)激光掃描儀，對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的對(duì)中整平。

(2)根據(jù)隧道復(fù)雜程度和工程要求對(duì)相應(yīng)的主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括掃描距離、掃描范圍、掃描點(diǎn)云間隔等。

(3)在掃描過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控掃描數(shù)據(jù)情況，保證獲得較好的掃描數(shù)據(jù)，在掃描結(jié)束后對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，保證數(shù)據(jù)的完整性。

(4)在掃描結(jié)束后，對(duì)掃描范圍內(nèi)進(jìn)行拍照，獲取影像數(shù)據(jù)。

由于RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀具有無(wú)需后視定向，只需要保證兩站掃描數(shù)據(jù)具有30%的重疊區(qū)域，就可以在內(nèi)業(yè)處理時(shí)進(jìn)行自動(dòng)拼接。因此在外業(yè)測(cè)量時(shí)，除在已知點(diǎn)上設(shè)站外，也可以在任意位置設(shè)置，較大的縮短了外業(yè)測(cè)量的時(shí)間。

為了真實(shí)反映隧道內(nèi)情況，在掃描時(shí)設(shè)置采樣間隔為100 m處0.03 m的間隔進(jìn)行掃描，采用這種采樣間隔設(shè)置主要是在保證測(cè)量數(shù)據(jù)滿(mǎn)足工程要求精度的情況下，盡可能反映真實(shí)地形情況和保證工作效率。

5 數(shù)據(jù)處理

5.1 數(shù)據(jù)拼接和裁剪

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)，將RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀掃描的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到RIEGL自帶的點(diǎn)云處理軟件RISCAN PRO對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。由于在外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)，未進(jìn)行坐標(biāo)定位和后視定向，每站采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在各自的坐標(biāo)系統(tǒng)里，各站之間是相互獨(dú)立的，因此需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，使點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并到同一坐標(biāo)系下。

采用RISCAN PRO點(diǎn)云處理軟件的Registration模塊對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。首先對(duì)在已知點(diǎn)上設(shè)站掃描數(shù)據(jù)中輸入設(shè)站點(diǎn)和后視點(diǎn)坐標(biāo)，并以此掃描數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作用是使自由設(shè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)為依據(jù)進(jìn)行拼接。其次是對(duì)自由設(shè)站掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)，軟件根據(jù)每站數(shù)據(jù)之間30%的重疊區(qū)域數(shù)據(jù)特征進(jìn)行自動(dòng)拼接，最終得到整體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，拼接之后得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2所示。經(jīng)檢查，該工程的拼接精度為5 mm。

圖2 拼接后整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)(部分)

5.2 影像匹配

點(diǎn)云數(shù)據(jù)本身沒(méi)有顏色，并不直觀，因此需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行影像匹配。通過(guò)掃描時(shí)獲得影像數(shù)據(jù)，應(yīng)用RISCAN PRO的Image Registration模塊對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行影像匹配，獲取點(diǎn)云的顏色信息。

圖3 影像匹配后點(diǎn)云數(shù)據(jù)(部分)

5.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀

由于掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)間隔小，數(shù)據(jù)量大，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀，得到適合建構(gòu)筑物點(diǎn)位提取的有效數(shù)據(jù)。因此對(duì)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以0.05m間隔進(jìn)行抽稀，抽稀后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，作為竣工圖提取相關(guān)信息的原始數(shù)據(jù)。

5.4 線狀地物提取

在RISCAN隨機(jī)自帶軟件中，提取軌道的平面位置和軌頂標(biāo)高、軌道的道岔、消火栓、行車(chē)信號(hào)燈等特征點(diǎn)。地下區(qū)間隧道和地下車(chē)站及附屬設(shè)施提取隧道內(nèi)側(cè)的平面位置、高程，隧道底高、起拱高與頂高，同時(shí)對(duì)車(chē)站出入口、通道和風(fēng)道結(jié)構(gòu)的平面位置和高程進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，形成隧道平面圖，對(duì)特征部分進(jìn)行注記。將提取的平面圖疊加在隧道對(duì)應(yīng)地面的地形圖上，形成竣工地形圖，提交規(guī)劃管理部門(mén)驗(yàn)收。

圖4 隧道特征線提取(部分)

圖5 隧道斷面線提取(部分)

6 結(jié) 語(yǔ)

本次針對(duì)三維激光掃描系統(tǒng)在軌道交通隧道工程竣工測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，提出了該技術(shù)在隧道竣工測(cè)量中的數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理方法，說(shuō)明三維激光掃描技術(shù)在隧道竣工測(cè)量中應(yīng)用的可行性。通過(guò)三維激光掃描技術(shù)獲取了隧道的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為大量的后續(xù)隧道數(shù)字化建設(shè)任務(wù)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，是實(shí)施全方位隧道維護(hù)戰(zhàn)略、提高隧道設(shè)施維護(hù)經(jīng)濟(jì)效益的保證。

[1] 肖書(shū)安，張正祿.高速鐵路隧道竣工測(cè)量新技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007(9)：72～74.

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[6] 鄭德華，沈云中，劉春.三維激光掃描儀及其測(cè)量誤差影響因素分析[J].測(cè)繪工程，2005，14(2)：32～34.

The Application and Research of 3D Laser Scanning Technology in Finish Tunneling Survey

Kong Xiangling，Ou Bin
(Chongqing Surveying Institute，Chongqing 400020，China)

The research and application of themethod of combining the production，it introduced 3D laser scanning technology of the data collection process in urban rail traffic finish tunneling survey，and operated to registration、cutting、placed images、imagematching、vacation and Line features extraction to collect data，discussed about feasibility of application、Technological advantage、measuring method and data processing method of 3D laser scanning technology in the finish tunneling survey field.

3D laser scanning；Rail transit；Finish tunneling survey；Point clouds data

1672-8262(2013)02-100-03

P235

A

2012—07—18

孔祥玲(1973—)，女，高級(jí)工程師，主要從事工程測(cè)量工作。