三維激光掃描技術在深坑巖壁精細勘測中的應用

祝文婷

(南京市牛首山文化旅游發展有限公司，南京　210000)

?

三維激光掃描技術在深坑巖壁精細勘測中的應用

祝文婷

(南京市牛首山文化旅游發展有限公司，南京210000)

本文對三維激光掃描技術的基本原理、掃描儀分類、儀器選擇以及三維激光掃描業務的工作流程進行全面的論述。根據項目實際情況，確定了掃描精度、站點以及標靶，并運用CYCLONE軟件和GEOMAGIC軟件對點云數據進行拼接、去噪等后處理，得到了滿足工程精度要求的深坑巖壁三維模型，為結構基礎設計和護坡處理提供了精確建筑信息模型。文中的相關儀器選擇、參數取值以及后處理方法可供深坑巖壁的精細勘測提供工程參考。

深坑巖壁； 三維激光掃描技術； 點云數據； 數據后處理； 空間建模

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.04.13

1　引言

建造于復雜或特殊地貌之上的建筑結構，其基礎及圍護結構設計對于地貌信息和數據的準確度提出了很高的要求。傳統離散單點采集三維坐標的方法，測點數量有限，測量效率低； 光學攝影的方法存在光學器件固有變形誤差和圖像數據轉換誤差，因而均不能滿足復雜及特殊地貌的工程使用勘測精度和測量周期要求。

三維激光掃描技術運用激光測量原理，能夠在短時間獲得地貌信息大量且準確的三維數據。配套的數據處理軟件可方便地對三維數據進行后處理、調用分析和三維建模。方便建筑、結構、暖通等各專業的數據調用和三維協同設計。相比傳統測量方式的上述優勢使得其在建筑領域得以快速發展和應用[1]。

本文首先對三維激光掃描技術的基本原理、常用掃描儀的分類及應用、實際工程掃描儀的選擇以及掃描過程的工作流程進行全面介紹； 然后結合南京牛首山佛頂宮項目中的深坑巖壁精細勘測，對三維激光掃描技術從前期方案設計到掃描操作，再到數據處理和三維建模的過程進行了全面闡述。為三維掃描技術在相似深坑巖壁精細勘測中的應用提供借鑒。

2　三維掃描技術概述

三維激光掃描技術(Three-dimensional Laser Scanning Technology，簡稱TLS技術)利用激光測距原理、采用三維激光掃描系統，能夠自動、連續、快速地獲取待測對象表面密集的批量數據，解決了傳統人工單點數據獲取方式所存在的勘測精度低、勘測速度慢的缺點，是勘測領域的一次革命性的技術突破。

三維激光掃描系統主要由三維激光掃描儀、系統軟件和附屬設備三部分構成，如圖1所示。系統軟件主要包括測控軟件和信息后處理軟件。附屬設備主要包括：數碼相機、計算機、電源、線纜、三腳架、定標球、標尺等。

2.1基本原理

三維激光掃描技術的基本原理：以三維激光掃描儀的激光發射處為坐標原點，儀器豎向掃描面豎直向上的坐標軸為z軸，按右手坐標系法則在儀器橫向掃描面垂直于z坐標軸建立x、y坐標軸，形成儀器坐標系統，如圖2所示。

圖1　三維激光掃描系統構成

圖2　三維激光掃描儀儀器坐標系

以某一測點P為例：由激光束在豎向和橫向掃描面的射出角度可測得P點在儀器坐標系統中的角度坐標α、θ(仰角為正、俯角為負)； 根據掃描儀不同的激光測距原理，可測得P點距儀器坐標原點的距離s； 根據反射光的強度i，可以測得被測點的紋理信息； 即得到被測點相對于儀器坐標原點的極坐標及紋理信息(α，θ，s，i)，根據式(2-1)將所得極坐標系轉換為直角坐標系坐標，得任意一掃描點P在儀器坐標系統中的三維坐標(x，y，z，i)。若已知測站的空間坐標，即可換算出任意掃描點的絕對坐標值[2]。

(2-1)

掃描儀在完成了一個θ剖面的測量后，掃描儀的上部就會圍繞z軸以較小的角度Δα進行順時針或逆時針的旋轉來進行下一個θ剖面測量的初始化。這樣重復進行剖面掃描測量，連接多個剖面，構成一幅掃描塊，掃描過程如圖3所示。

圖3　掃描過程示意圖

一個完整實體的測量往往需要從不同的位置進行多次掃描才可獲取完整的實體表面信息。為實現不同位置的多個掃描塊之間的精確合并，通常要求不同的掃描塊(點云)在交接處至少有15%以上的重合區域，且重合區域要有比較明顯的特點，為后續的點云數據拼接創造條件[3]。

2.2掃描儀的分類和選擇

三維掃描系統的核心設備為三維激光掃描儀，掃描儀產品類型繁多，需根據測繪條件和對象選擇掃描儀產品。常用三維激光掃描儀的應用范圍及分類如表1所示。

根據掃描系統的運行平臺，三維激光掃描儀分為：機載(或星載)型激光掃描儀、車載型激光掃描儀、地面型激光掃描儀和手持型激光掃描儀。

根據激光的測距原理，三維激光掃描儀分為：脈沖式激光掃描儀、相位式激光掃描儀和激光三角式激光掃描儀。其激光測距原理分別為基于時間測量原理(Time-of-flight，簡稱TOF)、基于相位測量原理(Phase measurement)以及基于三角測量原理(Optical triangulation)。

根據有效的掃描范圍，三維激光掃描儀分為：短距離、中距離和長距離激光掃描儀。

表1　常用三維激光掃描儀的類型及應用范圍

生產廠家型號類型 應用范圍 美國LeicaHDS6000地面型、相位式、中距離室內空間和大型模具的測量美國LeicaScanStation系列地面型、脈沖式、長距離建筑物、大型土木工程的測量奧地利RieglLMS-Z420i地面型、脈沖式、長距離建筑物、大型土木工程的測量法國TrimbleGS100、GS200地面型、激光三角式、短距離小型模具測量法國MensiS10、S25地面型、激光三角式,短距離小型模具測量加拿大OptechILRIS-3D地面型、脈沖式、長距離建筑物、大型土木工程的測量澳大利亞I-siteI-site4400地面型、脈沖式、長距離建筑物、大型土木工程的測量日本MinoltaⅤIVID910手持型、激光三角式、短距離小型模具測量美國PolhemusFastScan手持型、激光三角式、短距離小型模具測量

對于本文所述的深坑巖壁精細勘測，由于掃描范圍大于400m，機載、星載或車載型激光掃描儀附屬設備價格高昂，故選用型號為Leica ScanStation C10的地面型、脈沖式、長距離三維激光掃描儀。

2.3Leica ScanStation C10三維激光掃描儀

本文選用的Leica ScanStation C10掃描儀的實物圖及構造圖如圖4所示。主要構造包括：距離測量系統、橫向和豎向角度測量系統、X棱鏡、激光垂準儀以及雙軸補償器。

(a)實物圖

(b)構造圖圖4　Leica ScanStation C10實物及構造圖

橫向和豎向角度測量系統內的精密時鐘控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度值α和縱向掃描角度值θ。測距系統的基本原理為TOF基于時間的測量原理，測距的基本過程為[4]：

1)激光發射：發射器中的激光脈沖發射體在觸發脈沖的作用下，發出一個極窄高速激光脈沖信號，并通過X棱鏡改變方向射向物體，同時，激光信號被取樣而得到主脈沖；

2)激光探測：通過同一個掃描鏡和望遠鏡收集經物體反射回來的激光回波，通過接收器接受反射回來的激光脈沖信號；

3)時延估計：對接受器接受到的不規則回波信號進行相應相關處理，生成精確的回波脈沖信號；

4)時間延遲測量：由精密原子鐘控制的精密計數器通過距離計數方法測量出激光回波脈沖與激光發射主脈沖之間的時間間隔，進而計算得物體與發射器間的距離。

2.4TLS測量系統工作流程

TLS測量系統的工作主要有三個階段：方案設計階段、數據采集階段和后處理階段。

方案設計階段主要針對待測物尺寸、細部特征及場地條件，進行采樣密度、站點數量、設站位置以及掃描路線進行現場勘察及方案設計。

數據采集階段采用三維激光掃描系統在設計站點，采用合適的掃描分辨率，在保證掃描區無人車干擾的情況下進行掃描作業，獲取待測物表面空間位置的點云數據，并初步檢測數據是否滿足要求并進行初步質量分析和控制[5]。

后處理階段運用點云處理軟件將各站點采集得的點云數據進行拼接和歸并、去噪處理、坐標糾正等工作，再利用三維建模軟件對處理后的點云數據進行曲面擬合，建立三維模型。

整個TLS測量系統的工作流程，如圖5所示。

3　工程應用

TLS技術在土木建筑領域的應用正處于快速發展時期，應用涉及古建筑重建、文物保護、地形勘測、城市規劃等諸多方面。本文將基于上述TLS技術原理、設備和工作流程將其應用于南京牛首山項目工程深坑巖壁結構的精細勘測之中，為工程設計提供深坑巖壁的建筑信息模型。

圖5　TLS測量系統工作流程

3.1項目介紹

南京牛首山位于南京市江寧區，因山體東、西兩主峰形如牛頭雙角得名。西峰山體由于1937和1958年兩次破壞性的鐵礦開采，形成如圖6所示深礦坑：礦坑垂直高差近70m，長邊跨度近400m。

圖6　牛首山西峰礦坑

牛首山佛頂宮鋁合金網殼項目建立于深礦坑之上，如圖7所示。項目由大、小兩個鋁合金單層網殼結構組成，建筑總高89.3m，總建筑面積近10×104m2，主體建筑共9層，地下6層，是國內首個建在廢棄礦坑內的大型公共建筑項目。

圖7　建于深礦坑之上的牛首山佛頂宮

3.1主要技術難點

該項目的主要技術難點在于：

(1)深礦坑邊緣存在滑坡危險，需在山體兩側護坡打下500多根防滑樁，使用長達150km的錨索固定山體，需要等高線等地貌數據。

(2)建筑主體完全由深礦坑底部支承，基礎設計需要對詳細精準的地貌數據，但由于爆破開挖過程無法準確設計，開挖后若根據基礎設計對深坑地貌進行局部調整的成本過高，需要實時準確的地貌數據。

(3)機電設備、給排水管線、暖通通風設備和管道系統的設計可能因實際地貌而進行調整，調整會引起管線沖突與干涉，精準的深坑巖壁地貌三維勘測資料對于專業間的溝通協調也十分重要。

傳統的勘測方法受限于測量精度、測量周期，且無法高效的轉換為建筑信息模型，無法解決本項目的技術難點。因此采用三維激光掃描技術對深坑巖壁進行精細勘測，為項目設計提供精確建筑信息模型。

3.2掃描方案設計

3.2.1采樣精度設計

選擇合適的采樣間隔對于數據存儲量、勘測精度、掃描速度和后期處理難度有直接關系。采樣間隔過大，數據量小、勘測精度低、掃描速度快，可能導致后期處理數據不足，待測對象信息反映不全面。采樣間隔過小，數據量大、掃描速度慢，雖然勘測精度高，但整個過程對于存儲設備、勘測周期以及后期處理設備要求較高。因此需根據項目實際情況，合理的選擇采樣精度[6]。根據本項目工程設計的精度要求，掃描采用了較高的采樣密度，采樣精度為2mm。

3.2.2站點位置選取

測量選擇多個站點，從不同的位置進行多次掃描，并在實地部分位置放置通視標靶(公共標志球)，以實現多次掃描的精確合并，便于后處理階段點云數據拼接。項目選擇17個站點和23個標靶(公共標志球)，站點及標靶(公共標志球)布置如圖8所示。

(a)站點布置

(b)標靶布置圖8　項目站點及標靶布置

3.3點云數據處理與三維建模

3.3.1點云數據分站導出

采用cyclone軟件將不同角度所得深坑巖壁點云數據導出并顯示，以其中三個站點數據為例，站點11、站點12和站點13導出的點云數據如圖9a-(c)所示。

(a)站點11

(a)站點12

(c)站點13圖9　部分站點點云數據圖

3.3.2點云數據拼接和去噪處理

利用cyclone軟件對分站點云數據進行拼接總裝。軟件自動選取兩站中3個以上同名控制點實行拼接，拼接完成的數據再次利用數據融合功能將重合部分的數據進行歸并，以避免數據的冗余和不一致。經過多站拼接后，各站點云數據處于統一的坐標系中，即2.1節所述儀器坐標系統，通過添加基站式GPS接收機進行量測所得的全局控制點，建立其與地理坐標系的位置關系。

由于掃描過程中外界環境因素對掃描目標的阻擋和遮掩，如掃描過程中移動的車輛、行人樹木的遮擋，及建筑物本身的反射特性不均勻，導致最終獲取的掃描點云數據內可能包含不穩定的點和錯誤的點，這些影響將導致點云數據含有偏差。因此點云數據拼接后的預處理工作，主要是清除一些不正確的數據，獲取有效數據，即去噪處理。

拼接和去噪處理后的點云數據，如圖10所示。

圖10　拼接和去噪處理后的點云數據圖

3.3.3三維建模

基于點云數據的三維建模方法主要有三種，分別為軟件自動匹配建模、基于GEOMAGIC建模和人工手動建模，其適用對象如表2所示。

表2　基于點云數據的三維建模方法

方法應用范圍軟件自動匹配建模常規幾何體基于GEOMAGIC建模多邊形的不規則曲面建模人工手動建模復雜的不規則模型

軟件自動匹配建模適用于能夠分解為軟件提供的常用幾何形體(如：孔、圓柱、圓錐等)的目標實體組件，對于本項目中大量無法分解為常用幾何形體的目標實體的建模該方法具有很大的局限性。

人工手動建模的方法雖使用與本項目的三維數據建模但需要大量的人工勞動和建模人員的經驗。

因此，本項目采用第二種方法，對深坑巖壁進行三維建模，為減小模型數據文件、提高建模效率，在保證工程精度的前提下對不關心區域進行網格簡化處理，基于GEOMAGIC的牛首山礦坑三維整體模型如圖11所示。

圖11　牛首山礦坑三維整體模型

4　結論

本文從三維激光掃描技術的基本原理、三維激光掃描儀的分類和選擇以及三維激光掃描系統的工作流程入手，結合南京牛首山佛頂宮項目中的深坑巖壁精細勘測，對三維激光掃描技術從前期方案設計到掃描操作，再到數據處理和三維建模的過程進行了全面闡述。主要結論如下：

(1)對于牛首山西峰這種測量范圍大于400米的工程，采用地面型、脈沖式、長距離三維激光掃描儀比較適用，可以保證足夠的工作效率和掃描精度。

(2)對于類似牛首山佛頂宮深坑巖壁項目，采用三維激光掃描技術，測得工程點云數據，并對其進行數據拼接、去噪等技術處理，結合通用三維數字建模軟件，可以建立比較準確的三維數字模型，為結構基礎設計及湖泊處理提供準確的地貌三維建筑信息模型。

(3)在工程管理中根據項目特點，合理采用三維激光掃描技術，結合信息化、數字化手段，可以保證施工現場勘察數據的準確性，為設計提供可靠的依據，同時提高施工效率，保證項目順利推進。

[1]Rudolf STAIGER.Terrestrial Laser Scanning Technology，Systems and Applications[C].2nd FIG Regional Conference.Marrakech，Morocco，December 2-5， 2003.

[2]馬俊偉， 唐輝明，胡新麗，等.三維激光掃描技術在滑坡物理模型試驗中的應用[J].巖土力學， 2014， 35(5)： 1495-1505.

[3]宋宏. 地面三維激光掃描測量技術及其應用分析[J].測繪技術裝備， 2008(2)： 40-43.

[4]張會霞. 三維激光掃描點云數據組織與可視化研究[D].中國礦業大學(北京)， 2010.

[5]劉春， 楊偉.三維激光掃描對構筑物的采集和空間建模[J].工程勘察， 2006(4)： 49-53.

[6]馬立廣. 地面三維激光掃描測量技術研究[D].武漢：武漢大學， 2005.

Application of 3D Laser Scanning Technology to Accurate Geological Survey of Palisades

Zhu Wenting

(NanjingNiushouMountainCulturalTourismDevelopmentCo.，Ltd.，Nanjing210000，China)

This article introduces fundamentals of Three-dimensional Laser Scanning(TLS)technology，categorizing and selecting of three-dimensional laser scanner and workflow of TLS system.According to actual project condition，accuracy，sites and targets of scanning are determined.Merge and de-noising of point-clouds data are completed using software CYCLONe and GEOMAGIC.3D model of the palisades meeting requirements of engineering accuracy is established to provide exact geological data for design of foundation and slope protection.Device selection，parameter selection and method of post-processing in this article can provide

for other similar accurate geological survey of palisades.

3D Laser Scanning Technology； Point Clouds Data； Data Post-processing； Spatial Modeling

祝文婷(1976-)，女，工程師。主要從事項目設計與施工管理工作。

TU198+.6;P633;TU3

A

1674-7461(2016)04-0073-06