移動式三維激光掃描技術在公路隧道溶洞測量中的應用

聶 品

(廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

在喀斯特地貌區(qū)域線性工程隧道施工過程中，常常遭遇溶洞這一地質現(xiàn)象，如果在施工過程中處理不當，可能會引發(fā)塌方、涌水等地質災害，既延長了施工工期，又會對施工人員的人身安全造成嚴重威脅。如何獲取溶洞形態(tài)和規(guī)模的準確信息是溶洞處治的前提和難點[1]。然而由于洞內情況復雜，沒有自然光線射入，通視條件差，排風不暢，空氣質量差，且存在暗河和積水，傳統(tǒng)的測量方法工作強度大、效率低、設備便攜性差，工作方式存在嚴重的安全隱患，而且得到測量結果也僅為稀疏的幾個點，只能反映洞內局部現(xiàn)象。移動式三維激光掃描技術的出現(xiàn)，為溶洞測量提供了新的解決方案。與傳統(tǒng)的測量方法相比，該技術獲取的測量點密度遠遠大于傳統(tǒng)測量方法，有掃描范圍大、精度高、無需接觸測量目標的優(yōu)點。本文針對傳統(tǒng)溶洞測量方法存在的問題，分析了移動式三維激光掃描系統(tǒng)的構成和在隧道溶洞中測量的工作原理，并在實際工程中進行了實踐應用。結果證明，使用移動式激光掃描的方法行之有效，生成的溶洞模型可直接與CAD、BIM建模軟件無縫對接，為后續(xù)的溶洞治理施工提供了強有力的數(shù)據(jù)支撐。

1 移動式三維激光掃描儀技術原理與系統(tǒng)組成

移動式激光掃描儀一般由激光傳感器、相機傳感器、慣性測量單元等設備組成。本文采用英國GeoSLAM公司生產(chǎn)的便攜式三維激光掃描儀ZEB-HORIZON對位于廣西喀斯特地貌地區(qū)正在施工中的某公路隧道溶洞進行三維激光掃描，該掃描儀具有測程長、精度高、重量輕的特點，每秒可獲取30萬點的點云數(shù)據(jù)。儀器具體參數(shù)如表1所示[2]。

表1 移動式三維激光掃描儀參數(shù)表

移動式三維激光掃描儀利用激光器發(fā)射激光，激光到達溶洞洞頂和洞壁后反射到激光器，從而得到激光掃描儀與探測點之間的距離關系，同時儀器的慣性測量單元記錄儀器姿態(tài)和相對坐標信息，通過距離關系和位置信息即可得到觀測物體的相對坐標。掃描過程中，隨著測量人員手持掃描儀不停地移動，就可以不斷獲得被測量地物相對掃描儀的位置坐標。根據(jù)即時定位與地圖構建算法(Simultaneous Localization and Mapping，SLAM)將所有的測量點云坐標映射到同一相對坐標系下，即可得到被測量地物的空間輪廓[3]。

2 數(shù)據(jù)獲取和處理流程

溶洞三維激光掃描測量工作主要可分為外業(yè)測量數(shù)據(jù)獲取和點云數(shù)據(jù)建模兩部分。外業(yè)測量數(shù)據(jù)獲取主要包含數(shù)據(jù)獲取、點云抽稀、數(shù)據(jù)濾波、去除體外孤點、去除非連接項等工作；點云數(shù)據(jù)建模主要包含三維模型重建、刪除釘狀物、填補漏洞等工作。下頁圖1為工作流程圖。

圖1 移動式三維激光點云模型工作流程圖

2.1 點云數(shù)據(jù)獲取

掃描前需要收集測區(qū)資料，制定路線計劃，避免重復掃描，產(chǎn)生冗余激光點。本次掃描溶洞位于廣西喀斯特地貌地區(qū)正在施工中的公路隧道旁，溶洞洞口尺寸約為6 m×12 m，溶洞洞口周邊圍巖較破碎呈鑲嵌狀，且局部夾泥，溶洞內比較潮濕。為了讓點云成果坐標與工程建設成果坐標相一致，在測量前需要結合地形情況在溶洞洞口附近或洞內布置3個控制點，正式開始測量前需將三維激光掃描儀放置在控制點上獲取相對坐標。掃描過程中要避免過分抖動，防止數(shù)據(jù)異常，測量掃描路線要盡量閉合，以減小測量誤差。掃描完成后需要聯(lián)合控制點坐標對數(shù)據(jù)進行解算，獲取在絕對坐標系統(tǒng)下的點云數(shù)據(jù)。

2.2 點云處理

由于三維激光掃描儀的高速掃描特性，產(chǎn)生了大量冗余的激光點，為了能夠提升點云處理效率，要在保證點云形態(tài)不變的情況下，對點云進行抽稀處理，減少重復點云數(shù)量，提高處理效率。

由于受到測量環(huán)境中存在的水蒸氣、粉塵和儀器本身存在誤差等客觀因素影響，會產(chǎn)生大量的噪點和異常點，需借助三維點云處理工具裁剪出溶洞區(qū)域的點云數(shù)據(jù)，隨后對裁剪好的點云進行濾波、刪除點云的體外孤點、刪除非連接項等。將噪聲點去除后，可使點云形態(tài)貼近溶洞實際形態(tài)。

2.3 三維建模

點云處理好后進行封裝處理，首先由點云生成若干個三角格網(wǎng)面，再由格網(wǎng)面構成三維模型。生成的初始封裝模型中依然存在著大量的釘狀物和空面，需要進行精細化處理，借助模型重建軟件對模型進行表面平滑和缺失數(shù)據(jù)填充等工作，使模型的可視化表達更為合理，如圖2所示。最后將三維模型以dxf格式存儲，方便下一步在BIM建模軟件進行擴展使用。

(a)初始封裝模型

2.4 溶洞三維模型的擴展應用

(1)橫縱斷面圖的生成

根據(jù)公路線形和施工設計需求，可以生成相應里程的橫縱斷面圖，在工作中，重點區(qū)域可采取每隔1 m生成一個縱斷面圖和一個橫斷面圖的方式，方便設計和施工人員下一步使用。見圖3。

圖3 斷面圖生成示意圖

(2)模型的三維展示

將溶洞的三維模型與隧道的設計線位進行疊加，疊加后能夠清晰反映溶洞和隧道的三維位置關系，可以從軟件中量取溶洞的長、寬、高、體積等數(shù)據(jù)，為下一步的災害處治工作和工程施工提供決策依據(jù)。見后頁圖4。

圖4 溶洞模型圖

3 結語

溶洞是公路隧道建設中存在的重大安全隱患，本文采用三維激光掃描儀對隧道溶洞進行了三維激光測量與建模工作，在得到溶洞形狀和位置信息的同時，大大提高了測量工作效率。通過工程實踐結果表明，使用移動式三維激光掃描儀重構溶洞三維模型方法合理有效，具有效率高、探測范圍廣、成本低廉、作業(yè)方式靈活、數(shù)據(jù)利用率高等特點，說明該方法可以作為一種有效的溶洞測量方式，服務于交通工程設計與施工。