基于三維激光掃描儀的超大直徑管片模型檢測技術

王若鵬 張成君

摘要：本文借助江陰靖江長江隧道工程，基于三維激光掃描儀對超大直徑管片模型檢測進行研究，通過分析三維激光掃描儀的基本原理，移動式三維激光掃描儀操作控制要點，對三維點云數據的可視化處理與分析，總結分析了管片模型的制造精度，對管片生產嚴格把關。

關鍵詞：三維激光掃描儀;管片模型;數據處理;精度分析

一、概述

江陰靖江長江隧道工程是《長江經濟帶立體綜合交通走廊規劃（2014-2020）》中批復的江蘇省14條過江通道之一，是《江蘇省城鎮體系規劃（2015-2030）》中規劃的公路過江通道，是《江蘇省高速公路網規劃》中規劃高速公路S90的過江通道。江陰靖江長江隧道工程主體施工項目位于江陰大橋和泰州大橋之間。隧道過江段采用公路、鐵路以三管隧道方式穿越長江，公鐵分期實施，近期實施公路雙管隧道，預留遠期鐵路單管隧道實施條件。隧道過江段采用盾構法施工，盾構機開挖直徑高達16.06m，管片外徑15.5m，內徑14.2m，是目前內地水下最大直徑的泥水平衡盾構機，是世界上最大的泥水平衡盾構機之一。右線盾構段長4952m（樁號YK3+433-YK8+385），左線盾構段長4937.19m（樁號ZK3+432.396-ZK8+369.590）。

隨著監測技術的不斷發展，由于三維激光掃描儀的激光具有相干性、單色性、高亮度、方向性等特性，將其使用在監測裝置中，在速度、精度、易操作等方面優勢顯著。三維激光掃描儀通過掃描物體，可提供其表面三維點云數據，通過多角度立體掃描物體，可獲得被測對象高度、位置等信息，通過對點云信息處理，然后建模，最后拼接成圖，進而獲得高精度和高分辨率的物體數字模型。本工程對隧道掘進管片拼裝精度要求極高，管片的成型質量精度在隧道建設中至關重要。本文以隧道管片模型為研究對象，研究了基于移動式動態三維激光掃描儀相結合的超大直徑管片模型的立體化檢測。

二、三維激光掃描儀

1.技術原理

三維激光掃描儀技術是利用激光測距，通過終端發射的激光束并對反射的激光進行接收，利用發出和反射激光束之間的相位差計算距離，從而控制精度。另外，可以記錄管片模型外表面三維坐標、材質以及反射率等物理信息，從而快速復制并建立起三維實體模型等各種檢測數據信息

2.移動式三維激光掃描儀

按成像方式分為靜態檢測和動態檢測。常規檢測為靜態檢測，及通過固定點位檢測，最后合成點云數據進行分析;而盾構隧道管片模型為弧度，模型有許多預埋螺栓孔，當采用分站式靜態掃描時，每一測站上均能有效獲取精度高、數量大的點云數據。但是，靜態測量存在一定的局限性，由于技術局限性，在掃描兩個相鄰區段是，測站必須有一定的重疊，才能保證數據處理的銜接，便于分析，從而產生大量的冗余數據，增加數據分析和處理的難度和效率。

基于移動式三維激光掃描儀檢測系統經自主設計研發，通過集成高精度三維激光掃描儀、人機協作機械臂、PLC控制系統等關鍵硬件，開發帶數據處理功能的上位機軟件，通過上位機軟件控制下位機PLC，PLC發出指令，控制伺服電機驅動傳動系統實現數據的自動采集，并進一步反饋到上位機實現數據的自動處理，并自動輸出檢測成果報表，實現三維激光掃描儀檢測管片成品和模型的自動化。該系統具有一定柔性，能滿足13m～16m管片成品和模型三維尺寸的檢測。

三、超大直徑管片模型檢測

1.模型檢測

隧道管片通過移動小車放置在定位工裝上，小車平移進入檢測設備內部，到位后觸發軟限位電機制動，小車停止，進入檢測待機狀態;上位機軟件系統發出掃描指令，機械部件在電機驅動下沿PLC和機械臂的規劃路徑開始進行掃描檢測，帶動三維激光掃描儀以一定的速度掃描管片成品和模型的三維點云數據，掃描完畢將掃描標號傳遞給PLC系統;三維激光輪廓掃描儀通過以太網將掃描的點云數據傳送到上位機軟件，上位機軟件通過點云算法對數據進行處理，并將輸出結果自動寫入標準檢測表格模板中。

通過在管片模型檢測車上安放掃描儀，結束管片車在既定軌道上移動的優勢，激光器發射的光束隨著管片車的移動，以螺旋線的形式發射出去，并對隧道進行全斷面掃描。通過分析發射和反射激光束的相位差，精確獲取管片外輪廓圖像以及管片模型內各點以軌道連線的中點為坐標原點的坐標系坐標。

在檢測過程中，管片模型檢測車沿著軌道前進，且始終與管片斷面保持垂直，確保檢測斷面始終與管片軸線垂直。通過在管片模型檢測車的車輪上安裝行程傳感器，實時記錄行走路徑，形成動態掃描，即可采集到整個管片模型的三維信息。

2.數據分析與處理

對掃描的數據進行分析和處理時，先將采集的云數據導入后處理軟件中，對掃描生成模型與實際模型試驗界面進行可視化比對。當掃描范圍超出模型試驗范圍，借助分析軟件中相應的數據處理工具，對數據掃描點進行剪裁。大范圍剪裁完畢后，通過3D視圖窗口旋轉工具，多角度全方位進行模型比對，對局部范圍內的不合理點進行修改和剔除。最終可根據三維模型生成各個面的二維圖，經二維圖、三維圖和施工圖紙進行比對可直接反映模型精度。

四、總結

與傳統檢測方法相比較，三維激光掃描儀能夠快速的測量出高精度的模型檢測數據。通過對檢測獲取點云大數據、斷面三維模型、檢測點云數據的處理、檢測數據生成等，控制成型管片精度，保證盾構施工時管片拼縫，減小管片錯臺，打造不滲不漏隧道工程。

參考文獻：

[1]馬立廣.地面三維激光掃描儀的分類與應用[J].地理空間信息，2005，3（3）：60-62.

[2]張云鵬.三維激光掃描數據同名特征點提取研究[D].中國礦業大學，2014.

[3]馬勇.三維激光掃描技術在橋梁變形中的應用研究[D].蘭州交通大學，2017.

[4]馬華宇.三維激光掃描儀在隧道工程建設中的應用[J].公路工程，2018，43（3）.