基于三維激光掃描的電纜隧道竣工測量方法研究*

馮艷杰 鄭莉

1. 深圳供電規劃設計院有限公司 廣東 深圳 518004；2. 武漢大學測繪學院 湖北 武漢 430000

引言

根據深圳市市政府2014年頒布的《深圳市地下管線管理辦法》規定，地下管線工程施工活動完成后，建設單位應當及時組織竣工驗收，報規劃國土部門備案，并移交給城建檔案管理機構[1]。電纜隧道作為城市發展到一定階段對地下空間集約化利用的一種產物，在深圳市建設的越來越多，需進入隧道內進行測量，其方法不同于傳統的管線探測，隧道內電纜、支架等附著設施復雜，測量難度很大，測量效率很低。

傳統的電纜隧道竣工驗收測量工作通常采用全站儀進行測量，隧道內作業面窄，傳統的實用全站儀的測量方法效率比較差，并且也無法獲取電纜隧道的全貌。三維激光掃描技術是一種非接觸式的測量技術，可以克服傳統測量技術的不足，能快速準確地獲取大量觀測點的三維空間點云坐標，進而獲取更加全面的電纜隧道信息。

本文將以220kV深水甲乙線隧道竣工驗收測量工作為例，對三維激光掃描技術在電纜該項目中的應用展開闡述，詳細介紹電纜隧道斷面測量工作與內業數據處理的整個過程，并將運用三維激光掃描技術獲得的斷面測量成果與全站儀測量成果進行對比，驗證采用三維激光掃描技術進行電纜隧道竣工驗收測量的可靠性[2]。

1 三維激光掃描技術原理

三維激光掃描技術是一項測繪數據獲取技術的偉大革新，該技術具有實時、主動、使用等優點，該技術獲得的原始數據是大量的、密集的離散的三維點云數據的集合。該技術使測繪數據的獲取、處理和服務應用等方面都進入新的發展階段。

三維激光掃描儀，主要包括測距和掃描兩大功能系統，并集成了數字攝影、儀器內部校正等功能。三維激光掃描儀的工作原理是掃描儀對待測目標發射激光束，激光發射時間和返回時間有時間差，通過計算時間差可得出掃描儀與所測目標的距離，根據與水平方向、垂直方向的角度，計算出所測目標點位的三維坐標值，三維掃描儀自動存儲并記錄儲存，最后使用后處理軟件進行處理建模，即可得到所測目標物體的三維模型[3]。

2 三維激光掃描技術流程

2.1 外業采集

電纜隧道空間作業面非常狹窄，三維掃描儀的架設和測量工作不易開展，因此測量前需要進行現場的踏勘，確定所有測站的位置和標靶的位置，并根據隧道內現場實際情況，確定掃描的分辨率大小，本次作業采用的三維激光掃描儀是徠卡ScanStation C10，作業流程如下：

2.1.1 現場踏勘。根據電纜隧道內部的現場實際情況，首先確定儀器架設的合適位置，設計出合適的測站數量，確保能夠掃描到所有需要掃描的區域，并能保證點云獲取精度，隧道由于其狹長的結構，距離越遠，掃描的密度越低。因此為了保證后期數據處理有足夠的點云數據密度，掃描分辨率盡可能設置得高一些，并且保證測站點和前一測站的標靶要通視，以保證數據采集的精度。

2.1.2 標靶布設。在電纜隧道這種狹長通道中布設控制網也非常麻煩，并且電纜隧道壁上往往沒有明顯的可用于匹配的特征點，因此我們選用球形標靶作為測站之間的點云配準點。標靶的布設需滿足以下條件：一是標靶不能和測站點在同一直線上，二是標靶和測站必須互相通視且距離較近，三是相鄰測站間至少要有三個公共標靶。標靶布設如圖1所示。

2.1.3 數據獲取。激光點云數據的獲取可通過操作儀器直接實現，開機后設置激光掃描儀的掃描范圍、角度和分辨率，首先用低分辨率進行粗掃以確定掃描范圍，然后用高分辨率對重點區域比如隧道輪廓及標靶等進行精細掃描，以獲得精確的坐標，最終為后期斷面提取提供精確的原始數據[4]。

2.2 內業處理

內業處理流程如下：

2.2.1 標靶坐標計算。導入前期測量成果，計算各個標靶的三維坐標。

2.2.2 點云數據拼接。運用標靶的準確坐標進行匹配，將每個測站的點云數據關聯起來，歸算到新的三維坐標系統之中。

2.2.3 噪音數據剔除。依據隧道斷面設計數據，運用算法剔除噪音數據：電纜隧道內的螺栓孔、螺帽及電纜、支架和附著在管壁上的其他設施等[5]。

2.2.4 點云數據建模。通過三維激光掃描儀獲取的數據是離散的點云數據，不能精確形象地展示電纜隧道，需要將離散的點云數據建模，生成模型來模擬電纜隧道的表面特征，建模時，首先構建三角網，再進行多邊形的修補，并去除多余的特征和減少多邊形數量，最后進行平滑以及輪廓線的提取和曲面擬合。如圖2所示。

圖2 三維建模

2.2.5 提取斷面。沿隧道方向每隔10m垂直切割一個斷面，曲線段每隔5m垂直切割一個斷面，并得到一組模型。如圖3所示。

圖3 提取斷面

2.2.6 提取縱斷面線?？v斷面測量是電纜隧道竣工驗收測量的一個重要部分，隧道中心線是從提取的斷面心點連接起來形成的。再以里程對應的設計線路中心為基準，查找對應位置點云的方式計算底高、頂高、頂底差以及各測點位置坐標值。如圖5所示。

圖5 縱斷面線提取

2.2.7 成果輸出：可根據實際需要，提取并量測電纜隧道點云模型任意兩個指定點的幾何尺寸，可提取區間指定里程的斷面，并能實現施工后的數據與設計數據的對比分析。

3 成果精度分析

為了評定應用三維激光掃描技術獲得的斷面成果的質量，采用常規斷面測量方法中普遍采用的全站儀放樣線路中心點并在隧道側壁上標點測量的方法測得的成果作為真值，對其進行檢核[6]。

在220kV深水甲乙線電纜隧道竣工驗收測量中，共檢測了50個斷面，兩種方法測量的隧道底部中心位置高程檢測差值在10mm內的斷面比例為90%，差值在10～20mm范圍內的斷面比例為10%，無差值大于20mm的斷面。說明三維激光掃描技術應用于電纜隧道竣工驗收測量是可行的、可靠的，測量精度可以得到保證。

4 結束語

本文詳細闡述了采用三維激光掃描技術進行電纜隧道竣工測量的全過程。相對于傳統測量方法和數據處理方法，三維激光掃描技術不僅可以節約大量的時間成本和人工，還具有外業作業效率高和可靠性強等優點，測量的精度能夠得到保證，并且在點云數據采集后可實現根據點云數據實時對斷面進行加密的工作，而無須外業重復進場作業，能夠完全滿足電纜隧道竣工驗收測量的需求。