三維激光掃描儀在隧道收斂測量中的應用

高元勇++崔龍

摘 要：三維激光掃描技術是一種高精度立體全自動的掃描技術，可以快速、有效、準確地獲取三維空間信息，全天候對任意物體進行掃描并獲取高精度的物體表面點三維信息及反射率信息。隨著該項技術的成熟發展，三維激光掃描技術已在變形監測、建立地面模型等方面得到了廣泛應用，本文將對三維激光掃描儀測量誤差分析以及三維激光掃描儀在隧道收斂測量中的應用進行系統綜述。

關鍵詞：三維激光掃描；隧道收斂；誤差分析

中圖分類號：U456.3；P234.4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）03-0118-02隨著科學技術的不斷發展，人們漸漸將對客觀事物的認知從平面二維層面轉向三維立體方向，測繪工程中的三維激光掃描技術應運而生，實現了測繪過程中對物體三維層面的要求，擺脫了傳統測量儀器的局限性，是直接獲取所要高精度三維數據、實現可視化的三維重要手段，極大的降低了測量的成本，時間上更節約，使用更方便，而且范圍應用的更廣，在森林和農業、戰場仿真、文物保護、工程測量、變形監測、醫學研究等領域都有很大的發展空間。三維激光掃描技術的出現和應用，大大地拓寬了測量的領域，提高了測量的效率，簡化了測量的強度，是目前迅猛發展并廣泛應用的新技術之一。

1 三維激光掃描技術的原理

三維激光掃描儀含括了多種先進的測量技術，可以在不接觸物體的狀態下主動對物體進行測量，在獲取點云形式之后測量到復雜的地形及物體的表面，由點集成的三維數據，協同多種測距法的作用下計算出每個點的三維坐標，其中經常用到的測距方法有三角測距法、脈沖測距法以及相位測距法。

三維激光掃描系統根據工作原理大致分為以下三類：

（1）徑向三維激光掃描儀。運用脈沖測距技術在固定中點順著視線進行距離測量，測量到的距離可超過100m，每秒可以測得大于1000個點。

（2）相位干涉法掃描系統。通過連續的激光發射波，利用光學干涉原理得到干涉相位的測量方法，此方法適合短距離的測量，測量范圍通常不超過50m，每秒鐘可以成功測的10000至50000個點。

（3）三角法掃描系統。在獲得兩條光線信息的基礎上，通過立體相機與機構化的光源，建立出立體的投影關系。此方法適合短距離的測量，測量范圍在2m以內，每秒可測得100個點。

2 三維激光掃描儀測量誤差分析及校檢

2.1 三維激光掃描儀測量誤差分析

三維激光掃描儀避免不了在測量過程中會產生誤差，其中可分為兩類分別為系統誤差與偶然誤差，系統誤差可以通過多種方式來削弱，但是偶然誤差是隨機發生的，沒有辦法控制只能進行多次的重復來減少發生這樣的誤差。

2.2 三維激光掃描儀的校檢

檢測激光掃描儀測量距離的精度，經常用到的方法包括基線比較法和六段解析法。基線比較法的模型是對加常數和乘常數兩個參數同時進行解算。而六段解析法消除乘常數相關影響，加常數的檢測精度較高，但只能檢測加常數。

校檢的模型包括以下三類：六段解析模型（1971年由H.R.Schwendener首次提出，也叫做六段全組合法，這種方法不需要標準基線，通過全組合方式就能獲得觀測數據）；基線比較模型；角度校檢模型。

校檢的實驗測試分為以下幾個步驟：實驗儀器的準備以及校檢場的建立。校檢實驗在完成測距實驗、測角實驗、溫度環境實驗等才能對結果進行分析。

測距精度和測角精度是地面三維激光掃描儀掃描數據精度的兩個主要方面，在運用相關的校檢模型改正觀測量后，其測距與測角精度得到了明顯的提高，不同地方的環境因素對激光掃描儀的影響以及目標物體對觀測結果的影響還需要我們進一步的研究。

3 三維激光掃描技術在地鐵隧道收斂中應用的基本思路

隧道收斂變形中用到的激光掃描技術其關鍵就是數據的處理，因此下面對數據處理研究進行側重介紹。其整個過程按照以下的技術路線進行：

3.1 數據的采集

（1）提前準備好導線與水準的測量方案，以激光掃描儀性能、參數和現場環境作為參照設計出掃描站的間距及掃描點的密度，得到一些掃描重疊的點。

（2）按照測量方案對隧道內的導線及水準進行測量，將三維坐標進行傳遞。傳遞方式通過標靶進行，測量導線及水準與觀測標靶同時進行。

（3）對隧道進行三維激光掃描，同時取得隧道內壁的三維點云數據，以及標靶點云數據。

3.2 數據的預處理

（1）對靶標的三維坐標進行計算：結合導線及水準測量結果，得到靶標的三維坐標。

（2）對點云產生的三維坐標數據進行歸算：建立統一的三維坐標系，將各個標靶的三維點云數據歸算到一起。

（3）將數據中的噪音除去：根據隧道設計數據，除去隧道中的噪音數據。

（4）將比較重要的管壁點云數據提取出來：關閉的點云數據密度并不均勻，可能是因為掃描的角度和掃描的距離造成的，我們在進行下一步數據處理之前，需要去掉那些點云密度大的范圍中一些可能多余的數據點，然后在根據一定的密度將某些點云數據提取出來，這樣可以大大提高進一步數據處理的速度。

3.3 三維模型的建立

以預處理之后的點云數據為參考生成地鐵隧道內壁的三維模型。

3.4 成果的輸出

（1）根據地鐵隧道收斂變形測量要求，對指定管片（或每個管片、或一定間隔的管片）截取三維模型斷面，對斷面數據進行高次樣條（多項式）曲線擬合，將其與設計的斷面理論值進行比較，計算出管片一周的變化量曲線，將其中的特征點進行輸出，例如形變最小的的上、下、左、右或者是等角度處（如每隔10°）變形量的差值。（2）將包括每管片一周的收斂變形報告輸出。

3.5 成果的管理

三維激光掃描的成果管理最主要的形式之一就是建立數據庫，這樣不僅能對較大量的斷面數據、多次測量結果進行有效的管理，還能夠大大地提高成果管理的效率。將每個管片測量成果進行數據庫管理，并達到成果的瀏覽與分析效果。其主要的目的有以下幾點：

（1）該數據庫可以用于瀏覽每個管片斷面的變化量曲線及變形量差值。

（2）該數據庫中的測量成果可以通過地鐵隧道中軸線方向的變形影響整個趨勢，因此用來找到其他變形量大的區段。

（3）該數據庫可以建立歷史數據，幫助解決今后同一區段的變形趨勢的問題。

（4）可以根據變形的限值，建立分析預警的模型。

4 三維激光掃描技術在隧道收斂測量中的優勢

4.1 傳統收斂測量方法的難點

隧道在發生形變之后，我們很難判斷其是相對形變還是絕對形變，所謂絕對形變是隧道環片相對于設計或者施工時各環片的絕對變化位移，這種情況是很難測定的；二相對形變是隧道的鋼體結構相對于設計或者施工初期的相對變化位移，我們所介紹的隧道收斂變形測量指的就是測定隧道的相對形變量，來進一步判斷隧道形變的程度。

隧道收斂測量中經常用到布設傳感器和使用全站儀測量收斂的方法，傳感器測量隧道收斂方法雖然精度較高，但是常常受到環境的影響，尤其是在環境光源比較暗的情況下，所測量的到的結果精度不夠，而且自動化程度不高。傳統收斂測量的方法利用布設導線進行坐標的傳遞，通常在一圈管片上均勻設置若干個觀測點，在通過全站儀對各點進行觀測后獲得的數據總結起來進行隧道的變形分析，傳統方法有許多難點進行克服，主要表現在以下幾個方面：

（1）傳統方法在布點以及測量上無法保證各點嚴格地在同一條直線、共面，所以無法確定所測上下行線監測環在同一三維激光掃描儀在隧道收斂測量中的應用

高元勇1，2 崔龍1

（1.新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆烏魯木齊 830052；2.新疆疆海測繪院，新疆烏魯木齊 830002）

摘 要：三維激光掃描技術是一種高精度立體全自動的掃描技術，可以快速、有效、準確地獲取三維空間信息，全天候對任意物體進行掃描并獲取高精度的物體表面點三維信息及反射率信息。隨著該項技術的成熟發展，三維激光掃描技術已在變形監測、建立地面模型等方面得到了廣泛應用，本文將對三維激光掃描儀測量誤差分析以及三維激光掃描儀在隧道收斂測量中的應用進行系統綜述。

關鍵詞：三維激光掃描；隧道收斂；誤差分析

中圖分類號：U456.3；P234.4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）03-0118-02橫斷面上。

（2）傳統方法效率較低、成本較高，并且不能保證每個管片都能觀測的到。

（3）傳統的收斂測量不能全方位的反映出隧道形變。

（4）傳統的方法對成果的分析較難，測量過程中涉及到的不可控環節較多，所測得的結果精度大幅降低。傳統方法不能進行大規模數據采集，更不能夠第一時間獲得成果上的指導。因此我們一定要采取發現新的測量技術。

4.2 三維激光掃描技術的應用特點

三維激光掃描技術之所以被稱為“實景拷貝技術”，是因為它可獲取任何復雜的現場環境及空間目標的三維立體信息，還能夠快速重構目標的三維模型及線、面、體、空間等各種帶有三維坐標的數據，從而再現客觀事物真實的形態特性。

（1）在現代工程建筑領域，快速準確獲取建筑三維數據，不但極大程度上豐富了三維數據展示的效果，由于其每個點都有三維坐標，可提供可量測的畫面數據，為建筑工程的檢測與分析提供新的手段；

（2）其非接觸的數據獲取方式可以有效地減少傳統操作中不必要的破壞和損傷，為檢測保護與維護施工提供準確、科學的數據，發揮高新技術的積極作用；該技術可以支撐一個快速、高效、節約成本的解決方案。

（3）三維掃描技術采集隧道點云數據，對點云數據快速分割生成切片，針對切片中的散亂點提出了一種多點坐標平差計算圓心方法擬合切片圓心，對擬合的圓環與設計值進行比較，分析變化情況。本文系統地提出了基于三維激光掃描的隧道點云的收斂變形分析方法，對三維掃描技術在隧道中的應用有一定的意義。

4.3 掃描的數據用于斷面測量還將會在以下兩個方面得到更好的發展和應用

（1）3D建模。根據預處理后的點云數據生成地鐵隧道內壁（包括隧道內目前已有的附屬設施）三維模型，為今后的隧道維護恢復提供相對原始的數據資料。

（2）軸線變化和趨勢預測。將軸線與設計值的三維關系進行比對，在測量標志球位置真實的三維坐標后，擬合得到的隧道軸線就相當于真實的軸線，進而可以對隧道軸線整體變化的情況趨勢進行預測。

5 結論與展望

三維激光掃描技術是一種高效、便捷、節約成本的技術，高于常規測量的收斂精度，能夠為隧道收斂測量提供準確、科學的依據。本文在介紹三維激光掃描儀原理、誤差產生及儀器校檢的基礎上，對三維激光掃描儀在隧道收斂測量中的應用及優勢進行了詳細闡述。應用三維激光掃描技術在隧道的收斂方面，在保證掃描距離及點云密度的條件下，數據結果一般就能滿足隧道收斂的要求，而且該技術可以快速、完整的采集隧道內部的表面數據，提高了數據采集的速度及數據處理的效率，尤其是在隧道運營時間間斷不能過長的情況下，采用三維激光掃描技術快速實現作業目標。

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