全站型掃描儀在工程施工中的應用

儲巨球 ，董海英，郝國宇，朱善美

（1.中鐵四局集團第四工程有限公司，安徽 合肥 230041；2.安慶市水利局，安徽 安慶 246000）

1 引言

隨著我國基建實力的不斷提升，隧道橋梁等工程建設也得到了高速發展，而隧道斷面測量作為隧道施工控制必不可少的重要環節其測量技術也需要不斷的發展、進步。隧道結構橫斷面測量，是驗證土建施工后限界尺寸和有效凈空能否滿足設計要求所進行的測量工作，其測量精度要求高、施測密度大[1]。傳統的橫斷面測量方法一般采用支距法、全站儀解析法、斷面儀法等，雖然施測方法多種多樣，但都有其自身的缺點和局限性，很難確切地反映所測量斷面的真實情況，進而為后期隧道的調線調坡工作提供準確的基礎數據[1]。

傳統的三維數據可以通過單點采集與面采集兩種方法獲取：利用逐點采集的方法稱為單點采集，但此方法采集速度慢，在地形復雜的情況下存在采點困難、效率低等缺點，如利用經緯儀、全站儀、GPS等儀器獲取目標點的三維信息；通過對攝影測量、遙感獲取的影像數據處理從而得到三維數據的方法被稱為面采集，但該方法存在影像質量要求高，數據處理難度大、耗時長等問題。

全站型掃描儀集成了多項先進的測量技術，是近年來一項重要的技術革新，相對于傳統掃描儀，雖然它采集點云的頻率較低，但擁有更高的精度，再加上其綜合了全站儀測量模式，具有設站的功能[2]。在點云數據拼接方面更高效，精度更高，具有廣泛的應用空間[3]。

掃描儀選型 表1

2 工程概況

昌景黃鐵路安徽段站前一標二分部位于黃山市休寧縣境內，土建里程DK9+662.02～DK18+060，全長8.39km。本分部主要工程有3.5座隧道，5座橋梁，5段路基。隧道總長6.6km，其中，新塘隧道長225.2m，茄塘隧道長849.97m，東山隧道長3489.44m，云頭山隧道長2052.91m，占線路總長79%；橋梁總長1.35km，其中，休寧河特大橋長715.3m；茄塘大橋長266.93m，元溪大橋長189.37m，井季中橋103.29m，酸梅樹中橋70.65m，占線路總長16%；路基總長0.43km，占線路總長5.1%。

3 全站型掃描儀的比選

綜合比選，在相同精度及工作任務的條件下，選用Trimble SX10儀器可以更快速地完成外業測量工作，并且其內業數據處理軟件單一，免去數據在不同軟件中導入導出時格式轉換的繁瑣，也保證數據在處理過程中不存在數據丟失的情況。因此，本項目點云采集設備最終選用Trimble SX10。

4 全站型掃描儀工作原理

4.1 掃描系統的工作原理

三維激光掃描儀作為目前時效性最為強大的三維數據獲取的設備，根據其掃描的平臺可以分為三種：機載激光掃描系統、便攜式激光掃描系統以及地面型激光掃描系統[4]。Trimble SX10屬于地面型激光掃描，由掃描儀主體、相機及處理軟件等構成。

Trimble SX10每秒可測高達26，600個點的高精度數據，測量距離可達600m。但采集的點云數據會呈現近密遠疏的特點，因此在作業過程中，應在滿足密度需求的范圍內進行測量以保證掃描數據的精度。

測量作業前期，應按照使用儀器規定與待掃描隧道長度，確定單次掃描的距離及掃描的次數，如東山隧道需掃描距離為120m，則分兩次掃描，確保兩次掃描區域有不少于5m的重疊，如第一次在洞口位置，第二次則在距離洞口45m處。

圖1 掃描點云分布圖

圖2 掃描站位示意圖

掃描系統的工作原理主要是發射激光并接受被掃描對象表面反射的信號來完成三維點云數據采集，進行勻速等角度撥角轉動激光測距儀，不斷重復地記錄掃描對象表面的三維坐標，從而實現三維的構建。

通過計算目標點P與掃描儀之間的距離L，同步測量每束激光橫向掃描角度ɑ和縱向角度θ[5]。通過已知點進行設站后，掃描儀即可使用獨立坐標系或者工程坐標系，X軸與橫向掃描面平行，Y軸與橫向掃描面垂直，Z軸與X，Y所代表的掃描平面垂直，地面三維激光點云中O點的三維坐標如圖3所示。

圖3 掃描三維坐標

設t為發射脈沖的往返時間間隔，C為光速（即脈沖的速度），因此掃描點與儀器中心的距離為L

則O點坐標為：

4.2 全站型掃描儀的優點

①數據采集速度快，能夠在短時間內獲取到大量目標的三維信息；

②數據內容豐富，可在通過同步拍攝的照片，獲得目標表面的色彩信息，為目標的分類以及識別提供了有效的依據；

③測量精度高；

④主動性工作。

4.3 與普通掃描儀、全站儀的區別

①保留了全站儀的精度，但無需手動測量點位；

②省略點云拼接這一步驟；

③點云在施工坐標系或設站坐標系內；

④無需坐標系的轉換無需安置靶點；

⑤無需數據配準、數據濾波；

⑥由于掃描全站儀是通過全景照片進行染色與三維激光掃描不同，不包含點的強度信息和顏色灰度信息。

5 技術路線

使用Trimble SX10進行作業，其流程可以大致分為三部分：作業前準備過程-外業操作-內業數據處理。

5.1 作業前準備

實地查看隧道內點位的分布情況，根據要掃描任務的長度，確定單次掃描距離與掃描次數，根據周圍環境找到架站最合適的設站位置進行標記。

5.2 外業操作

分別在兩個測點上架設掃描儀和后視點，對中整平完成后，將測站坐標和后視點坐標輸入操作手簿，進行定向測量并檢查定向是否準確。確認定向準確后，設置取景方式，對需要掃描的區域進行掃描。完成后在手簿中查看數據，確認無誤后轉移測站，重復此步驟直至完成。

圖4 掃描作業流程圖

在設置掃描參數時，首先設置取景方式（掃描范圍），共有“矩形、多邊形、水平帶和全部范圍”四種方式，根據現場的需求選擇合適取景方式。點云密度依據不同的檢測內容應該有所區分。

掃描作業點云密度建議表 表2

5.3 數據處理

圖5 掃描點云數據處理流程圖

5.3.1 設置參數

輸入水平與垂直定線的相關參數信息，創建平縱曲線并建立斷面參數信息。

輸入水平定線參數：

圖6 水平定線

圖7 垂直定線

創建垂直定線：

輸入模板線性參數：

圖8 模塊線性

5.3.2 導入點云

將點云數據導入TBC軟件，剔除噪音點。

圖9 點云數據導入

圖10為剔除噪聲點后的隧道點云。

圖10 點云除噪

根據需要里程、間距等指定隧道斷面點，并進行數據處理分析。

5.4 輸出結果

圖11 點云數據處理

圖12 超欠挖分析

①超欠挖分析：

②隧道二襯凈空輪廓與建筑限界檢測：

圖13 隧道凈空及限界

圖14 點云對比

斷面及方量計算 表3

③混凝土量計算：

見表3。

④變形監測-通過同一里程不同期點云對比：

6 結語

三維掃描技術能夠快速獲取海量高密度高精度的目標空間信息，突破了傳統單點測量的數據采集處理方法，具有無接觸式測量、掃描速度快、數據信息量大、精度高等特點，完全能夠滿足建設工程的應用需求，且在保證高精度的同時還大大提高了生產效率，其采集的點云數據可以運用于隧道初支、襯砌等斷面與收斂變形的分析與評估，這是目前現有的隧道斷面測量方法所不能比擬的。