移動激光掃描技術在隧道工程檢測中的應用

劉志宏

（北京高鐵工務段，北京 100071）

現階段，我國隧道工程地質環境復雜，現場環境也非常惡劣，對于隧道工程檢測技術要求較高。傳統測繪技術主要是單點檢測，環境的影響比較大，而三維激光掃描技術則可以實現復雜空間的全面掃描，能夠直接獲取全部點云數據信息，在系統內構建三維模型，讓隧道工程質量控制有序展開。

1 移動激光掃描技術

1.1 概念

移動激光掃描技術采用的是激光測距的原理實現非接觸、快速獲取地物目標的三維點云數據和紋理（影像）數據，并對采集到的數據進行處理后進行三維建模，以此可以將復雜環境下的結構數據以三維的形式展示給相關工作人員，為空間信息數據庫提供豐富的數據源。其在實際應用中主要使用的設備是移動激光掃描儀，在激光測距儀與反射棱鏡的支持下完成測距掃描，同時其還集成了激光掃描儀、數碼相機、軟件及附屬設備，測量速度較快，獲取的數據信息精確度也比較高。當前的隧道掃描檢測方式主要包含固定掃描與移動掃描兩種。固定掃描系統以分站掃描方式為主，外業測量之后獲取的點云數據信息通過系統實現坐標轉換、點云拼接、優化以及數據修復處理，然后能夠反映出隧道的全景，體現出隧道的真實形態。該技術的劣勢就是效率較低，靈活性也不如移動掃描技術，但是數據精度非常高，尤其是一些高精度的場合，應用固定掃描技術效果非常好。

1.2 原理及特點

在移動激光掃描技術的實際應用中，首先需要激光測距儀發射激光，進入隧道的激光會發生反射，測距儀在接收反射回的激光信號，這一來回就完成了測距作業。之后建立起自定義坐標系，移動激光掃描儀發射器發射激光脈沖信號，激光脈沖信號進入到隧道中遇到自然物就會形成漫反射并最終反傳至接收器中，在此基礎上精準測量激光脈沖橫向與縱向掃描角度觀測值，最后運用標準處理軟件將所采集數據進行轉換。移動激光掃描技術具有如下特點，一是具有快速性，通過操作移動激光掃描儀就能夠對隧道內部空間進行快速的掃描，并得出數據信息，數據也會及時進行更新；二是采樣率比較高，掃描過程中可以大面積采集目標物體的表面信息，同時采集數據速度達到每秒幾萬點到幾百萬點之間；三是具有實時性、動態性、主動性，借助移動激光掃描儀，開展工作的時候不會受到光照、氣壓等外界條件的影響。

1.3 固定式掃描儀

固定式三維激光掃描儀在測繪過程中，需要通過外業掃描和內業數據處理兩個工作步驟。外業掃描是進行現場勘察、控制點埋設、設置標靶、選擇架站、采集數據等環節，而內業則是進行坐標轉換、點云拼接、點云優化、點云融合等工作。

點云拼接是目前實現多站掃描的重要環節，將獲取的掃描數據通過拼接的方式形成整體，通常有如下兩種方式：根據標靶拼接或者根據點云視圖拼接。如果所有測量站點是絕對坐標系掃描后獲取的，不需要通過拼接處理，直接將全部的掃描數據復制到一起就可以形成整體圖形。如果外業測量之后獲取的是標靶相對坐標，就要通過標靶拼接方式形成整體，這時需要及時發現相同名稱的標靶名，且實現坐標的轉換處理。為了保證外業測量工作順利的開展，外業掃描環節并不會進行標靶處理，只需要進行重復性掃描就可以獲取公共區域，這樣通過兩站之間的公共區域就可以實現拼接，形成需要的整體。通過視圖進行拼接就是利用人的肉眼確定點云公共區域，及時發現重合點，利用平移、旋轉等操作，讓網站數據拼接形成整體，這一方式操作簡單，只能在特殊條件下應用。

1.4 移動掃描系統

移動隧道掃描系統在運行中，可以把隧道和周邊空間都能夠進行移動掃描，也可以在露天工程或者隧道工程中應用。這一系統安裝設計比較巧妙，工作效率較快，施工周期較短，還能夠得到精度較高的三維點云。該系統實現非接觸里程的整合應用，及時隧道內沒有GNSS 信號，也可以達到定位精度要求。系統內安裝掃描儀、里程計等傳感器設備，利用移動隧道測量系統可以獲取準確的三維點云數據，操作速度比較快。在測量環節，設備在隧道內移動速度比較快，達到均勻、快速的要求，掃描儀能夠直接獲取正射點云，且保證點云掃描的密度和均勻性。不同物體反射率有明顯差異，在判讀數據時，利用人工輔助的方式，及時準確的確定隧道滲水情況，并且標記好里程位置。該移動掃描系統應用范圍較大，所有隧道施工、維護、管理工作都可使用。

2 基于移動激光掃描技術的隧道檢測技術

2.1 隧道數據采集

隧道數據信息是隧道施工的基礎保障，在其采集過程中首先需要對隧道的實際情況有一個初步的了解，并以此確定移動激光掃描站點數與具體位，其中站點位置應該在其有效的掃描測程之內。然后還要確定隧道正北方向，并且利用和掃描儀Y 軸正方向的夾角，三腳架臺面以水平狀態保持，并且將其作為基點完成移動激光掃描作業，所得出的數據結果需要詳細進行記錄。三維掃描基點確定以后以全站儀對該基點三維坐標進行準確測量和記錄，從平面控制測量與高程控制測量兩個方面來進行控制測量，得出測量結果以后進行平差計算，并以此來得出較為精準的靶標點位。

2.2 隧道數據處理

在隧道數據的采集環節中會得到點云數據，之后需要對其進行處理，具體包括了導入、噪聲去除、多視對齊、數據精簡、坐標轉換等環節，以此來確保數據信息的科學性，并以此來為隧道施工提供相應的數據支持。首先，需要將獲得的點云數據按照規范的數據處理流程導入到界面中，并將其中不存在聯系的點云數據篩選出來并清除，避免干擾問題，該環節就屬于噪聲去除；然后進行多視對齊，其主要目的就是為了將點云技術對齊與拼接，但是在掃描中經常會遇到掃描目標比較大得情況，或者掃描的環境比較復雜，在這種情況下還需要從不同的角度、不同的位置進行重復性掃描；除噪、多視對齊環節完成以后還需要對點云數據進行著色與渲染，其主要目的是獲得更加真實的數據效果，提高移動激光掃描技術的應用效果，需要注意的是，轉換坐標的工作結束后，需要根據點云數據實時系統拼接處理，點云數據的坐標點可以轉換至大地坐標系上。

3 移動激光掃描技術在某隧道工程檢測中的應用要點

3.1 工程概況

本研究以我國某城市交通工程隧道為例，樁號為K523+644 ～K524+814，全長1.1km，本次檢測使用激光掃描技術采集目標隧道的三維激光點云，經里程糾正、正射投影后生成隧道內壁正射影像，影像經過人工判讀識別等處理之后，獲得隧道病害明細、病害專題影像圖、三維點云以及漫游視頻等檢測成果。具體應用要點分析如下。

3.2 設計科學合理的控制測量方案

移動激光掃描應該進行分測站掃描，作業人員在測量中，通過高程、平面測量方式獲取相應數據，再進行平差計算，以得到準確的控制點坐標。因為本次工程項目的暗埋長度較長，所以在具體的測量中，導線的設置應該合理的選擇，設計符合靈活性的要求，確保復合導線的計算更加放線。導線至少應該設置16 點，其中5個是已知點，其他11個是加密點。高程測量時，主要采用的是二等水準測量方式，按照規定的測量順序開展工作，把各個水準線路內的控制點進行控制，以保證測量數據達到精度的要求。

3.3 內業數據處理

在工程的測量中，內業檢測要從下述工作開展：隧道裂縫、斷面尺寸、變形、平整度等。比如對于斷面數據測量中，這是整個內業檢測的關鍵性內容，工作量比較大，其需要通過影像分辨率、過濾器、X 軸投影范圍、投影模型等方面進行，其中分辨率的數據極易受到軟件分辨率以及掃描點分辨率的影響，而投影長度需要通過斷面半徑來確定。

本次隧道項目中，斷面精度為一站15m，測站前后覆蓋距離為7.5m。同時，數據處理環節，作業人員應該進行過濾處理，及時將無意義的數據過濾掉，且作業人員能夠分析確定，明確隧道管壁內外掃描數據的范圍，將選取的方向作為斷面徑向方向，為后續工作提供良好的支持。

3.4 移動激光掃描技術在隧道檢測建模中應用

移動激光掃描儀完成掃描工作之后，要做好曲面重構工作。通過掃描之后就能夠獲取隧道的點云數據信息，系統自動將一些不重要數據過濾掉，并且將噪聲去除掉，然后實施著色、渲染等操作，實現數據精簡處理，把沒有處理之后的點云數據中各個點內保留一個點云數據，然后根據相應的距離實施數據簡化處理。通過坐標轉換，確定地理坐標數據，坐標零點位置是中心點，掃描儀的坐標為相對坐標，應該及時做出轉換，讓隧道建模有序開展。

4 三維激光掃描技術在隧道中的應用

固定式三維激光掃描儀要想完成測量工作，要通過站點之間的連接而構建三維點云數據，以工程實際情況出發，保證隧道項目順利實施。

4.1 斷面檢測

通過三維激光掃描實施斷面檢測，速度較快，整個斷面都可快速完成測量工作，能夠及時掌握是否存在隧道超欠挖的問題。

4.2 混凝土厚度檢測

該參數的檢測主要應用回彈儀檢測法，但是該方式檢測時間長、難度高，只能進行零散點的檢測。應用三維激光掃描儀實施初支、二襯掃描處理，把兩期數據疊加使用，獲取準確的混凝土厚度參數。通過對比分析發現，三維激光掃描方式更加方便，數據精度也比較高。

4.3 病害檢測

將預處理完成之后的點云傳輸到軟件系統內，然后完成數據分析。先提取斷面，自起始里程位置，間隔3m選取一個斷面。根據施工的需要，動態化調整斷面提取間隔和點云厚度，圖形可見圖1 所示。

圖1 斷面截取圖

以上述正射影像圖為基礎，結合物體的反射率差異，利用軟件自動識別，同時聯合人工操作方式，及時檢測管片滲水的情況。

根據圖2 要求，通過移動掃描系統可以直接掌握點云數據，通過人工判讀方式，就能快速確定病害位置和基本信息，為后續工作開展提供基礎。

圖2 里程K524+814(裂縫)

4.4 變形檢測

統計某個區域范圍內水平收斂數據，掌握里程間隔數據信息，軟件自動化檢測該區域的范圍，然后進行統計分析。與全站儀對比分析，因為點云數據無死角，所以其獲取的水平收斂數據更加精確。

4.5 三維管理系統

軌道交通運營的環節，需要應用多個維護管理系統，但是當前主要以二維平面系統為主。隨著三維激光掃描技術的全面應用，很多維護管理系統都以三維數據為基礎開發和應用，比如利用固定式掃描點云數據，研發出車站三維管理系統，保證各項工作順利進行。

5 結語

基于移動激光掃描技術的隧道檢測技術主要就是從隧道數據采集、隧道數據處理以及隧道建模等方面發揮作用，使得隧道檢測中能夠得到精準的數據信息，并以此為基礎實現隧道的三維建模，方便了相關施工人員對隧道施工方案的科學調整與優化，最大程度上保障了施工的安全性與施工質量。