三維激光掃描在溶洞勘察設計中的應用研究

2016-11-09 01:35:54胡開承湖南省交通規劃勘察設計院湖南長沙410008

低碳世界 2016年29期

胡開承（湖南省交通規劃勘察設計院，湖南長沙410008）

三維激光掃描在溶洞勘察設計中的應用研究

胡開承（湖南省交通規劃勘察設計院，湖南長沙410008）

三維激光掃描技術具備準確性、動態性、實時性等特征，并且還可獲得空間三維數據，是當前測繪行業中最新的一種應用技術。如何將這一技術應用于工程項目中，并與現有系統接軌，是我們面臨的主要問題。在某高速公路溶洞探測項目中，我們充分利用激光掃描這一先進技術對溶洞進行全方位掃描，并開發相應軟件，對數據進行數據后處理研究，取得了良好的效果，并與設計軟件有效銜接，方便設計的進行。

三維激光掃描；工程測量；應用

1 引言

在工程的勘察設計中，我們經常碰到溶洞這一特殊地質條件，由于溶洞一般結構非常復雜，內部環境非常惡劣，常規測量施測非常困難。三維激光測量技術的出現和發展為溶洞的勘察設計提供了全新的技術手段，三維激光掃描測量技術克服了傳統測量技術的局限性，采用非接觸主動測量方式直接獲取高精度三維數據，能夠對物體進行掃描，且沒有白天和黑夜的限制，快速將現實世界的信息轉換成可以處理的數據。它具有掃描速度快、實時性強、精度高、主動性強、全數字特征等特點，可以極大地降低成本，節約時間，而且使用方便。

此情況下，對三維激光怎么掃描、掃描數據怎么處理、怎么使用這一新的數據類型進行深入的分析具有十分重要的意義。

程測量作業中，三維激光掃描已經獲得了十分廣泛的應用，可有效降低作業成本，節省作業時間，使用也較為便利，輸出格式直接與CAD、三維動畫等工具軟件接口。但是在使用的過程中也存在不少問題有待解決。

2 三維激光掃描的技術原理與系統組成

2.1 技術原理

對于三維激光掃描技術的核心原理，即為在激光距離測量與步進角度測量，在進行實際測量作業時，三維激光掃描儀能夠對待測量建筑物的某一個目標面發射激光，之后再通過激光發射與反射被儀器接收到的兩個時間點，形成時間差，以此來對實際距離值進行一定的計算。同時，其還能夠記錄、計算水平與垂直方向的角度值，以獲得觀測上某一點的三維相對坐標。

此外，通過連快速掃描，還可獲得若干個點的三維坐標，這些坐標值能夠在電腦中形成觀測目標的點云數據庫，在完成上述操作之后，應用后處理軟件分析處理點云數據之后，僅需要采用3D建模軟件就可形成較高精度的觀測目標虛擬三維影像，以獲得觀測目標的空間結構和詳細內部尺寸數據。

2.2 系統組成

通常情況下，三維激光掃描系統主要構成要素包括三維激光掃描儀、數字照片成像設備、點云數據處理軟件與其他附加設備。其中，通過掃描儀的應用，可獲得目標三維數據；對于照片成像設備，則可對目標原始情況進行相應的記錄，并且還能夠參與后期模型修正過程；對于后處理軟件，可對已經獲得的點云數據進行一定的讀取與處理，例如ILRIS3D掃描儀的Polyworks軟件、Leica三維激光掃描儀的Cyclone后處理軟件等，上述軟件均能夠對數據進行編輯、轉換、拼接與三維建模。

3 三維激光掃描在溶洞探測中的應用

3.1 項目概述

某高速公路修建時，發現特大型廳堂式溶洞，溶洞長約150m，落差約40m，溶洞分布基本與隧道左洞軸線一致，為進一步探明溶洞形態，方便后續處治勘察設計及施工的進行，對溶洞進行了三維激光掃描。

但是現有的隧道設計等軟件不支持點云輸入，為解決這一現實問題，與現有的隧道設計等軟件良好銜接，在對現場進行精細掃描后，對數據進行進一步的應用研究，并編制相應的軟件對數據進行處理。三維激光掃描應用，解決了溶洞隧道探測的難題，極大地提高了生產效率，并與現有設計系統實現無縫對接。

3.2 三維激光掃描數據采集

控制布設：

在掃描前先行進行導線測量，將隧道控制引入溶洞區域。高程精度以四等水準要求進行控制。

以隧道施工控制點作為起算數據，使用2“級全站儀，采用一級導線，以左右線路方式形成閉合路線。

高程測量以三角高程形式測定，在平面測量時同步測量三角高程，并進行閉合水準線路平差，確保成果質量。

在控制布設的同時，進行靶標點進行測量。

三維激光掃描儀主要采用自由架站方式進行，僅需要選擇堅硬穩固的地面，并且能夠與目標靶標點通視的位置作為實際架站點即可。在該工程項目作業中，依據場地實際情況，在溶洞中架設了24個站點，確保每個站點均有5個激光掃描靶點。

通過布設并測定反射片，將多站掃描數據拼接成一個整體并轉換至施工坐標系。

考慮到激光不能穿透水體，洞底積水部分采用全站儀配合棱鏡進行人工測定，平面及高程測量點精度均宜＜0.05m。密度應能保證內差斷面精度能滿足高速公路橫斷面測量精度要求。人工測定數據與掃描數據一起進行處理。

通常情況下，在外業數據采集作業中，數據掃描具有重要的作用，其主要涉及三維激光掃描與三維坐標測量兩部分內容。在采用三維激光掃描進行工程測量作業時，應當依據儀器指標與工程實際情況，明確具體掃描間距、掃描距離與標靶位置，在掃描的點云數據中，應當能夠分辨出標靶中心位置，還需要對遮擋問題進行高度關注。

3.3 激光點云數據處理

對于激光掃描獲得的點云數據都是以掃描儀位置為零點的局部坐標系，亦即每次經掃描而得到的點云數據的坐標系是獨立和不相關聯的。但實際上每幅點云陣數據都是掃描場景的一部分，那么有必要將這些點云數陣據轉化到同一坐標系里。所以要對得到的點云陣數據進行拼接匹配，其常規方法是利用選擇兩幅掃描圖像的公共點的辦法來實現拼接，選擇完成后軟件可自動完成匹配并可查看拼接匹配誤差。這樣便將各個掃描文件獨立的坐標轉換成為以導入拼接軟件的第一幅點云數據的局部坐標為整個掃描場景的坐標。然后可利用現場測得的標志點坐標對拼接好的點云數據進行坐標轉換，以使掃描得到的點云數據與現實場景的方位、位置完全一致。

項目在進行內業數據處理作業時，先將通過三維激光掃描儀掃描獲得的數據導入RIEGL自帶的點云處理軟件RISCANPRO，然后對掃描數據進行相應的處理。依據每個站點數據間重疊區域數據特征進行自動拼接，并將拼接坐標轉換至施工坐標系下。通過詳細的檢查發現，該工程拼接精度優于5mm。

測量數據最重要的用途是使用，因此，為了方便數據的使用，必須對數據進行必要的進一步處理，處理包括點云數據的平滑、點云數據的縮減、點云數據的分割，在此基礎上進行三維模型的重建、模型重建后的平滑、殘缺數據的處理、模型簡化和紋理映射等。方便模型的可視化表達。

同時，數據的使用不光是展示，更重要的是應用，因此數據還需要進行必要的格式轉換，提供程序開發及設計使用。因而項目轉換生成經處理的拼接的掃描點數據，以及AutoCAD的DXF激光點云數據和3角網面模型數據供勘察設計的進一部使用。

3.4 激光數據的拓展運用

為了便于隧道工程設計的使用，我們針對公路設計開發相關程序對點云數據進行進一步的拓展使用。

斷面的截取：

（1）緩沖區的選定

在數據的處理中，首先要明白一點，點云的密度是有限的，在數據處理中，過大的密度會增大系統負擔，甚至導致系統的崩潰。因此在實際運用中，點云的密度是有限的。

在這有限密度的點云中截取斷面，精確位于斷面上的點是稀疏的，不利于數據的利用，因此有必要設置一個緩沖區，使與斷面一定偏差內的數據均于斷面上顯示，同時因此根據點云的密度選定適當的緩沖區，是相應范圍的掃描點作為斷面數據點。使斷面上掃描點能足夠反映現場情況，精度又能滿足項目的需要。同時為進一步提高判別精度，對于不同偏差點設置不同的顏色。緩沖區的選定應根據規范及現場數據情況靈活選定。

（2）斷面的截取

首先根據公路線形，生成相應的縱橫斷面。一般情況下，公路線形是一條直線的時候較少，因此隨機軟件中的斷面生成不能滿足工程的需要。同時根據公路里程及標高生成縱斷面圖。橫斷面根據線路的切線垂線方向確定斷面方向，根據設定的斷面距離自動生成相應里程的橫斷面。同時可根據需要生成任意斷面。方便勘察設計的進行（見圖1～2）。